CC BY
70
© Н.Н. Швецов, С.В. Изюмов, С. В. Дручинин, А. В. Чернышев, Н.А. Круглов, 2004
УДК 550.3/625.78
Н.Н. Швецов, С.В. Изюмов, С.В. Дручинин,
А.В. Чернышев, НА. Круглов
ВИДЕОИМПУЛЬСНЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ИНЖЕНЕРНЫХ ПОДЗЕМНЫХ КОММУНИКАЦИЙ
Семинар № 2
ТУ стесненных условиях строительства -Я-* при проходке тоннелей для подземных коммуникаций актуальным является переход на бестраншейные технологии.
При подземном строительстве и проходке тоннелей бестраншейным способом существует немалый риск появления на трассе строительства конструкций уже существующих сооружений и коммуникаций, а так же других препятствий, таких как пустоты, валуны, локальные обводненности, разломы, строительный мусор, неотмеченные в документации объекты и т. д.
При этом роль инженерных изысканий нельзя недооценивать, они являются важной частью любого строительного процесса.
Из всего существующего многообразия традиционных геофизических методов, для решения инженерно-изыскательских задач в условиях города подходят лишь немногие. Их применение ограничено из-за высокого уровня промышленных помех и большой плотности застройки. Видеоимпульсное Георадиолокаци-онное зондирование (подповерхностная георадиолокация) является одним из наиболее молодых и быстро развивающихся методов, способных отобразить полную картину подземных
Рис. 1. Блок- схема видеоимпульсного георадара: 1 - сигнал прямого прохождения между антеннами; 2 - сигнал, отраженный от поверхности, (если антенны отодвинуты далеко от поверхности); 3 - полезный сигнал, отраженный от объекта; 4, 5 - сигналы, идущие в обратном и боковом направлениях; 6 - боковая волна, распространяющаяся сначала в воздухе, а затем под критическим углом в грунте
условий.
Георадиолокационный комплекс применяется для зондирования объектов, находящихся в грунтовом массиве или другой материальной среде. Первое использование радиоволн для детектирования металлических предметов, расположенных в грунте, датируется 1904 годом.
Разработанные в ЗАО «Геологоразведка» видеоимпульсные георадары серии «ТР-ГЕО» принадлежат к числу одних из самых совершенных приборов для неразрушающего контроля.
Блок-схема видеоимпульсного георадара показана на рис. 1. Радар состоит из импульсного генератора, приемника, включающего стробоскопический преобразователь и аналогоцифровой преобразователь (АЦП), передающей и приемной антенн, блока управления, совмещенного с компьютером. Конструктивно генератор и приемник могут быть объединенными с передающей и приемной антеннами. Одна и та же антенна может использоваться на прием и передачу.
Две антенны применяются для того, чтобы обеспечить большую развязку между приемным и передающим каналом. Передающей ан-
Блок управления. Компьютер < синхросигнал Импульсный генератор -> Приёмник со стробоскопическим преобразователем и АЦП.
Передающая А* 1 А 1 антенна хВВВ' *1 14 , Приёмная антенна 5 , Поверхность грунта
\КЖ Объект зондирования
Рис. 2. Импульсная характеристика радара ТР-ГЕО-01 с щелевыми антеннами. (Зондирующий
импульс)
тенной излучается
очень короткий (длительностью несколько наносекунд), сверхширокополосный импульс, который распространяется в грунте, отражаясь при этом от границ раздела сред, локальных объектов, неоднородностей (металлов, пустот, обводненностей и т.д.) дифференцируемых по электрическим свойствам. Отраженные волны принимаются приемной антенной и несут в себе информацию о зондируемой среде. По временной развертке оценивается время распространения электромагнитных волн от передающей антенны до отражающей геоэлектрической аномалии и обратно до приемной антенны и определяется расстояние до объекта. Приемная антенна располагается рядом с передающей антенной и обычно соединена с ней в один антенный блок. Кроме полезного сигнала, зондирующего подповерхностные объекты на рис. 1 показаны также сигналы являющиеся паразитными, дающими помехи. Сигналы, излучаемые и принимаемые в направлениях назад и сбоку, могут давать мешающие отражения при наличии вблизи радара посторонних предметов.
На рис. 2 показан зондирующий импульс георадара ТР-ГЕО-01. Рис. 2 отражает только импульсную характеристику приемнопередающего тракта георадара. Импульс, отраженный от локального объекта, размеры которого меньше или сравнимы с длиной волны, отличается как по форме, так и по средней частоте спектра от импульсной характеристики радара, и несет также информацию об исследуемом объекте. Информативными являются 12 осцилляции, имеющие наибольшую амплитуду, остальные являются помехами. Обычно число осцилляций с заметной амплитудой не превышает 3-4.
Конструкции применяемых в георадарах серии ТР-ГЕО антенн очень разнообразны из-за различий в целях и задачах зондирования, требуемой дальности зондирования и различий
в свойствах исследуемых сред. Применяемые в георадарах щелевые антенны относятся к типу, сверхширокополосных. В таких антеннах отношение верхней и нижней рабочих частот Г2 : Г! составляет более чем 3:1. Антенны характеризуются высокой развязкой “верх-низ”, то есть отношением полезного сигнала, излученного в грунт, к сигналу, излученному в воздух. Конструкция антенн обеспечивает также большую развязку между передающей и приемной антеннами, отношение полезный сигнал/помеха. Частотный диапазон антенн весьма широк: от нескольких десятков Мегагерц (при зондировании геомассива с дневной поверхности), до 1,5-2 ГГц. для решения задач дефектоскопии.
Цифровая регистрация сигналов, производится при перемещении антенн вдоль исследуемой поверхности. Допускается перемещение с небольшим зазором (до 5 см) между модулем и поверхностью. Для простоты последующего просмотра и фокусировки антенны должны перемещаться вдоль нескольких параллельных профилей. Расстояние между соседними дорожками зависит от требуемой глубины и детальности зондирования. При ограниченном рабочем пространстве для размещения и перемещения антенн зондирование проводится из нескольких отдельных точек.
Работа с георадарами в горно-разведочных выработках имеет свою специфику. Основные отличительные особенности работы георадаров в горно-разведочных выработках:
1) Влияние стенок горно-разведочных выработок и горнопроходческого оборудования. Стенки горно-разведочной выработки и окружающее металлическое оборудование дают паразитные отражения, являющиеся помехами для работы радара.
Глубинность (максимальная дальность) зондирования в горно-разведочной выработке определяется не только и не столько ограниченным энергетическим потенциалом георадара, сколько мешающими отражениями со стороны стен и окружающих механизмов.
2) Влияние неровностей поверхности. Неплотный контакт антенн с поверхностью грунтового массива и неконтролируемый изменяющийся зазор между антеннами и грунтовым массивом вызывает падение уровня полезного излучения в сторону грунтового массива и как следствие возрастает паразитное излучение в обратном и боковых направлениях.
Также наблюдаются изменения сигнала прямого прохождения между антеннами при движении антенн вдоль поверхности. После обработки таких сигналов появляются помехи в виде ложных отражений вблизи поверхности, что затрудняет интерпретацию результатов зондирования.
Поэтому при неровной поверхности грунтового массива проблема экранировки антенн становится особенно актуальной.
3) Ограниченность доступного пространства для размещения и для перемещения антенн при измерениях. Вследствие этого невозможно использовать антенны больших размеров (примерно 50x50 см). Следовательно, нельзя существенно понижать рабочую частоту радара.
4) Неоднозначные затруднения при интерпретации результатов зондирования в условиях ограниченной площади для передвижения антенн. Некоторые методы обработки, например, фокусировка (синтез апертуры), не могут быть применены в том случае, когда размер площадки сканирования мал. В этом случае интерпретация результатов основана на анализе амплитуды, знака и формы отраженных сигналов. При этом важно знать, как тот или иной объект зондирования отражает видеоимпульс-ный сигнал и насколько при этом меняется форма сигнала. Для этого проводится численное моделирование методом конечных разностей.
Для оптимизации параметров антенных блоков георадиолокационного комплекса «ТР-ГЕО» были проведены значительные объемы научно-исследовательских работ. С этой целью были исследованы образцы грунтов взятых при строительстве подземных горных выработок, в которых ЗАО “Геологоразведка” проводило зондирование грунтового массива.
В результате проведенных исследований были получены значения диэлектрической проницаемости и проводимости грунтов, что позволило определить затухание А (дБ/м) в грунте:
А = 20^(ехр(-2я-1ш( 41 >С/Х)),
1ш(^) =
^(в')2 + (60А,ст)
(1)
где С = 1 м. В качестве величины, характеризующей разрешающую способность георадара по дальности, использовалось выражение:
8 = АЖе( )/2. (2)
В формулах (1), (2) X - длина волны (м), соответствующая средней частоте Г спектра видеоимпульса георадара.
Результаты расчетов показали, что затухание в грунтах уменьшается с уменьшением частоты. Особенно в суглинистых и глинистых грунтах, в которых происходит сильное падение проводимости с уменьшением частоты в результате эффекта Максвелла-Вагнера Затухание радиоволн в суглинистых и глинистых грунтах, сильно уменьшается при уменьшении температуры грунта (при уменьшении температуры на 20 °С - в 1.5-2 раза).
Рабочий частотный диапазон георадара должен выбираться в первую очередь в зависимости от требуемой максимальной дальности. При этом для обеспечения максимальной разрешающей способности средняя частота спектра должна выбираться по возможности больше настолько, насколько это позволит имеющийся энергетический потенциал радара. Результат будет зависеть в первую очередь от проводимости грунта.
Энергетический потенциал радара выражен в виде отношения напряжений на выходе генератора иг (В) и минимального напряжения на входе приемника иш;п (В), при котором сигнал различим на фоне помех. Ослабление сигнала при отражении от идеально проводящей плоскости выражается формулой:
А = 20^(иг /ипр ). (3)
На рис. 3а и 36 показаны графики зависимостей А(Г при различных расстояниях зондирования Я от поверхности грунта до слоя или границы раздела и Е*(Г) при различных числах п накоплений сигнала. Находя точки пересечения графиков А(Г (при данном расстоянии Я) и Е*(Г) можно определить максимальную среднюю частоту радара Г для заданного максимального расстояния зондирования Кшах. Расчеты проведены для различных значений температуры грунта. Ввиду сильной температурной зависимости затухания в рассмотренных суглинистых и глинистых грунтах, результаты сильно различаются при 1 и 20 °С и 1 и 2-4 °С. При низких температурах дальность зондирования существенно выше.
Для проведения опережающего зондирования массива горных пород были разработаны методические рекомендации по применению
Рис. 3а і = 2°С
Рис. 36 < = 20 “С
георадаров “ТР-ГЕО”. Данная методика предусматривает комплексный подход, который включает в себя предварительную оценку геомассива с помощью геологической документации, зондирование геомассива с использованием георадара и последующей расшифровкой полученных геотомограмм.
Предварительная обработка сигналов состоит главным образом в нахождении сигнала прямого прохождения, идущего между передающей и приемной антеннами, и вычитании его из всех измеренных сигналов. В предварительную обработку входит также частотная фильтрация. Для многих целей предварительной обработки оказывается достаточно.
ПВ последующую обработку сигналов входит: согласованная фильтрация, инверсная
фильтрация, преобразование Гильберта, автокорреляционная обработка и т.п. трехмерная или двухмерная фокусировка (миграция или синтез апертуры), вейвлет-преобразования и т.д. Для идентификации найденных локальных объектов и интерпретации результатов используется также анализ собственных комплексных частот объекта, найденных в отраженном сигнале.
Рис. 3. Ослабление сигнала А при зондировании площадных объектов (слоев) в грунте (грунт с глиной серого цвета) и энергетический потенциал Е* радара. рис 3а -для грунта при температуре =2^, рис 36 -для грунта при температуре
і=2C^Расстояния зондирования, для которых найдено ослабление A: R = 1, 1.2,1.4,1.6,1.8, 2, 2.5,3,3.5, 4, 4.5,5, 6, 7,8,9, 10, 12,14,16 м. Толстыми линиями проведены кривые A при R = 1,2,4,6,10 м.
Качественная интерпретация является одним из наиболее важных этапов георадиолокации. Результаты проведенных исследований для удобства восприятия отображаются графическим способом в виде геотомограмм. На них с помощью цветового спектра изображена информация о неоднородностях исследуемого геомассива. Однородные среды, даже имеющие различные электрические свойства, выглядят на изображении как нейтральный фон. Изображение не дает самого распределения диэлектрической проницаемости (плотности или влажности грунта), а только показывает отражения от границ между электрически различными средами, от слоев и других объектов. По общей волновой картине, отдельных ее особенностях (наличии гипербол дифракции), а также знаку отраженного сигнала можно судить о характере объекта и различать увлажненные или металлические объекты от пустот и зон разуплотнения.
Зондирование горного массива с применением георадаров, которые проводились специалистами ЗАО “Геологоразведка” на 67 строительных объектах ОАО "Мосинжстрой", было успешным. Мониторинг грунта впереди забоя строящихся коллекторов в течение шести лет позволил своевременно обнаружить 5 металлических водопроводных труб, 2 газопроводные трубы, 1 керамический коллектор, 1 высоковольтный кабель, 5 старых разведочных скважин, 2 крупные карстовые полости, заполненные водой, емкостью не менее 150 м3, множество валунов
большого размера (объемом более 1 м3 каждый.
Опыт проведенных работ позволил сформулировать основные направления и цели проводимых исследований массива грунта из горных выработок или вокруг горной выработки:
1) Зондирование впереди забоя горной выработки (тоннеля). Целью зондирования является обнаружение карстовых полостей, водяных линз, аллювиальных врезов, естественных неоднородностей (больших валунов) и техногенных включений (труб, кабелей, старых подземных коммуникаций и обсаженных и необсаженных разведочных скважин).
2) Зондирование стенок горной выработки при обделке из монолитного прессбетона и бетонного плит. При зондировании высокочастотными радарами (со средней частотой ~1.5 ГГц) решается задача обнаружения возможных дефектов крепления, проводится контроль толщины бетонных стен тоннеля. Зондирование радарами с более низкой средней частотой имеет цель выявить карстовые пустоты и влажные зоны в непосредственной близости от бетонных плит и от стен горной выработки.
3) Зондирование с поверхности земли. Зондирование осуществляется низкочастот-
1. ИзюмовС.В, Дручинин С.В., Чернокалов А.Г., Чернышев А.В., Зарецких АД. Геофизическое исследование с использованием георадаров серии ТР-ГЕО, РОБТ, 2001, №8 (декабрь). С. 24-27.
2. Лернер В.Г., ИзюмовС.В, Дручинин С.В., Черно-
калов А.Г. Использование георадаров серии «ТР-ГЕО» для зондирования грунтового массива при проходке тоннелей. Труды международной научно-практической конференции, Россия, Москва, 28-31 октября 2002 г. С. 299-302.
ными радарами. При известном геологическом строении грунтового массива зондирование проводится с целью уточнить строение грунта между разведочными скважинами или для обнаружения разуплотненных участков грунтового массива на поверхности земли после завершения проходки горной выработки.
Метод видеоимпульсной георадиолокации является весьма результативным и во многих странах его использование при проведении изыскательных работ при строительстве утверждено законом и является обязательным.
Постоянно расширяется круг областей, в которых георадар находит применение. Укажем только некоторые из основных приложений: зондирование верхних геологических слоев грунта, поиск и картографирование подземных коммуникаций, труб, кабелей; нахождение карстовых полостей, зон разуплотнения на строительных площадках, опережающий контроль состояния грунта впереди забоя строящихся тоннелей, контроль автодорожного полотна и железнодорожной насыпи, дефектоскопия строительных конструкций, гуманитарное разминирование, применения в археологии, криминалистике, гляциологии.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Изюмов С.В., Дручинин С.В., Круглов НА. Применение геофизических комплексов «ТР-ГЕО» для решения инженерно-геологических задач, ППМ, 2003, №1-2, С. 25-29.
4. Изюмов С.В., Дручинин С.В., Круглов НА. Геора-диолокационные исследования при микротоннелирова-нии, Р0БТ,2003, №2, С. 10-13.
5. Филькенштейн М. И., Карпухин В.И. , Кутев В.А., Метелкин В.Н. Подповерхностная радиолокация. - М.: Радио и Связь, 1994,216 с.
— Коротко об авторах ----------------------------------------
Швецов Н.Н. - инженер-физик,
Изюмов С.В. - генеральный директор,
Дручинин С.В. - зам. директора по науке,
Чернышев А.В. - начальник отдела подповерхностного зондирования, Круглое Н.А. - ведущий геолог,
ЗАО «ГЕОЛОГОРАЗВЕДКА»
