Статьи мои : к списку статей

Аннотация: в статье обобщён опыт георадиолокационного обследования массива пород вблизи аварийных коллекторов. Приведены радарограммы, интерпретации и обобщение идентификационных признаков для таких объектов как линзы водонасыщенных пород, погребённые русла рек, техногенные полости и зоны дренированных пород. В качестве одного из признаков выступают результаты CMP-исследований (получение годографов). Для съёмок использованы сверхмощные георадары с резистивно-нагруженными антеннами (георадар "Лоза-1Н").

УДК 550.8:625.78:656.085

Ключевые слова: коллектора, аварийные подземные коммуникации, линзы водонасыщенных пород, погребённые русла рек, техногенные полости и зоны дренированных пород, георадиолокация, низкочастотные георадары, сверхмощные георадары, высокая глубинность.

Ссылка по ГОСТ 7.0.5 2008: Набатов В.В. Георадиолокационные обследования массивов пород вблизи аварийных коллекторов с привлечением данных CMP-измерений // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2015. №3. С. 197-206.

Текст:

Введение. Одна из наиболее опасных аварийных ситуаций, связанных с щитовой проходкой коллекторов связана с прорывом грунтовых вод в строящийся тоннель. Последствиями подобных аварий могут быть сдвижения дневной поверхности и образование полостей под проезжей частью и зданиями [1; 2]. При этом технологические операции связанные с восстановлением, ремонтом, перекладкой аварийных коллекторов обычно требуют предварительного детального дообследования массива пород вблизи коллектора. Целью обследования может быть как дооценка исходной опасности массива - например, нужно выявить наличие еще незатронутых водонасыщенных областей. Так и оценка влияния самой уже сложившейся аварийной ситуации - разуплотнённые грунты; образовавшиеся полости; возникшие протечки из коммуникаций.

Одним из наиболее эффективных инструментов при анализе геологической ситуации является георадиолокация [3; 4]. Для достаточно сложных для обследования условий городских грунтов часто наиболее предпочтительным оказывается использование сверхмощных георадаров, способных существенно расширять спектр решаемых георадиолокацией задач. При этом новые решаемые задачи, требуют нового опыта интерпретации. Примерам подобных решений и посвящена эта статья.

Методические особенности проводившихся исследований. В статье изложен в основном опыт работы со сверхмощными георадарами, использующими резистивно-нагруженные антенны [5; 6]. Причиной выбора именно этого типа оборудования связан с рядом проблем обследования грунтовых массивов городов. Среди этих проблем можно назвать: неоднородность свойств пород, содержание большого количества помеховых объектов [7], наличие глинистых толщ в разрезах [8] и как следствие небольшая глубинность георадиолокационного обследования [4]. Последний тезис является наиболее острым, поскольку достаточно большое количество коллекторов проложено на глубине 5-10 м и традиционные геоарадары в условиях городских грунтов часто не справляются с этими глубинами. Выходом здесь является: повышение мощности излучения; понижение его средней частоты; разработка методов обработки сигналов, оптимальных для этих частот; повышение вертикальной разрешающей способности за счёт резистивной нагрузки антенн [4]. Большинство этих подходов реализовано в сверхмощных георадарах серии "Лоза", что позволяет получать на них результаты для глубин в десятки метров в условиях городских грунтов [3]. Обострение же "воздушных" помех, связанное с увеличением мощности излучения обычно не является камнем преткновения.

Все материалы этой статьи получены на георадаре "Лоза-1Н" с трёхметровыми антеннами (50 МГц) в рамках обследований грунтов вблизи аварийных коллекторов г. Москвы. На всех представленных радарограммах левая вертикальная ось - время в наносекундах, правая вертикальная ось - глубина в метрах, горизонтальная ось - длинна вдоль по профилю в метрах. Типичные шаги между трассами от 20 до 50 см. Накопления не использовалось, для того чтобы не обострять "воздушные" помехи. В обработке преобладают: логарифмирование значений амплитуд, высокочастотная и низкочастотная фильтрация (используются горизонтальный, вертикальный и наклонный варианты), вычисление производной, различные особенности работы со шкалой цветового кодирования амплитудных значений. Вся обработка производилась в программе Krot версий 179Ns1 и 1403 (это стандартная программа обработки данных георадара "Лоза").

В качестве дополнительной аргументации в статье приводится анализ георадиолокационных годографов. В международной литературе этот метод часто называют WARR (wide-angle reflection-refraction [9]), либо CMP (common mid point [10]). В отечественной литературе его можно встретить под названием георадиолокационное зондирование [11]. При CMP разносят приёмную и излучающую антенны, получая годограф отражённой волны. Уравнение годографа отраженной волны представляет собой следующее выражение [8, с.48; 11]:

&npsp;&npsp;&npsp;&npsp;&npsp;&npsp;&npsp;&npsp;&npsp;&npsp;

Введение. При обследовании тоннелей метрополитенов необходимость получения информации о параметрах армирования связана не только с оценкой несущей способности конструкции. Достаточно часто знания о характере армирования важны для внесения его в модели, по которым методом конечных элементов рассчитываются напряжения в геомассиве и его деформации под воздействием стоящихся вблизи от тоннеля сооружений. Такие расчёты выполняются как при строительстве наземных зданий, так и подземных сооружений (новые тоннели метро, коллектора, подземные коммуникации). Решаются вопросы "как будет влиять тоннель на сооружение" и "как будет влиять сооружение на тоннель". В этой статье обобщены задачи, которые возникают в процессе георадиолокационного выявления параметров армирования тоннелей и конструкций, даны примеры обследований, обобщены помеховые факторы и намечены возможные пути решения проблем.

Методы. Весь материал в этой статье получен на георадаре "ОКО-2" 1200 и 1700 МГц на элементах конструкций и обделках Московского метрополитена. На представленных радарограммах левая вертикальная ось - время в наносекундах, правая вертикальная ось - глубина в метрах, горизонтальная ось - длинна вдоль по профилю в метрах, либо сантиметрах (единицы подписаны в правом верхнем углу). Типичные шаги между трассами 10-25 мм. Типичные накопления 4-128 (в редких случаях до 256) записи на точку профиля. В обработке преобладают: гиперболическая миграция (ГМ), или как её еще называют фокусировка [1, с.78]; амплитудное преобразования Гильберта (АПГ); деконволюция; автоматическая регулировка уровня амплитуд; вычитание среднего в скользящем горизонтальном окне (ВС); медианная фильтрация.

Результаты и их обобщение. Параметры армирования в конструкциях подземных сооружений могут достаточно сильно варьировать. Подобные участки обычно достаточно локальны, однако в случае если такой участок попадает в зону воздействия строящегося здания, то желательно что бы он был выявлен.

Рис. 1. Примеры результатов, полученных при контроле армирования АБ-400

На рис. 1 представлены примеры подобных ситуаций. На рис. 1 а-г обработка - ГМ-АПГ; на рис. 1 д обработка - только ГМ, на рис. 1 е обработка - только АПГ. Рис. 1 а - пример строго регулярного армирования с равномерным, выдержанным шагом (цифра 1 - аномалия от одного прута). Рис. 1 б - пример изменения толщины защитного слоя (на участке 6-11 м). Рис. 1 в - изменение шага армирования. Рис. 1 г - выявлен участок полностью лишённый армирования (однако толщина обделки здесь - 70 см, граница "обделка-грунт" в этом примере подавлена обработкой, которая была направлена на выделение армирования, а не границ). Рис. 1 д - сложная ситуация, в которой обделка толщиной 40 см (ось синфазности указана цифрой 2) в переходит в обделку толщиной 70 см (ось указана цифрой 3). Также видна ось, образованная дифрагированной волной (цифра 4). Выше границы цифра 3 находится арматурная сетка, которая отсутствует выше. Не смотря на то, что разрез смигрирован, гиперболические оси синфазности (ГОС) не удалось подавить (диэлектрическая проницаемость ε', подобрана по оси цифра 4). Арматурные пруты здесь имеют большой диаметр, не удивительно, что ряд хорошо просматривается на большой глубине. Рис. 1 д - пример сложного участка, где наблюдается изменение шага, его регулярности и глубины заложения армирования.

На первый взгляд проблема оценки параметров армирования одна из самых простых, что связано с существенно различными свойствами бетона и металла, в первую очередь с существенно разной проводимостью. Однако существует ряд задач, которые решаются с некоторыми трудностями из-за различных помеховых факторов.

1. Выявление шага армирования. Обычно на радарограммах первый ряд армирования достаточно хорошо выражен либо в виде ГОС, либо в виде амплитудных максимумов (особенно после ГМ-АПГ). При достаточно малом шаге съёмки на радарограммах обычно можно выделить каждый арматурный прут первого ряда. Помеховым фактором при решении этой задачи может становиться само армирование. При слишком плотном шаге оно начинает работать как непреодолимый для излучения экран - сигналы оказываются зашумлены так называемым "звоном" [2]. Поэтому обследование возможно только с помощью высокочастотных георадаров [3]. Примеры в этой статье получены на георадаре ОКО-2 1200 и 1700 МГц. Ограниченно удавалось решать подобные задачи на фундаментных плитах с использованием антенн 700 МГц при сетках 20х20. Существует рекомендация при оценке возможности обследования армированной конструкции опираться на принцип "длинна волны должна быть меньше чем шаг армирования". При действительной части диэлектрической проницаемости конструкции ε' = 6-9 и средней частоты георадарного импульса f = 700 МГц длина волны λ = 17,5-14 см, что меньше сетки 20х20.

В ряде случаев помеховым фактором может становиться сама строительная конструкция, когда армирование перекрыто толстым слоем неармированного бетона (иногда такое перекрытие многослойно и радарограмма содержит отражения от границ этих слоёв). Сигнал затухает при двойном пробеге в бетонной подушке и интерферирует с помехами. Из-за затухания "усы" ГОС оказываются короткими, а отражённый сигнал характеризуется малой амплитудой. Это иллюстрирует рис. 2 а (армирование указано цифрой 1). Еще одним примером может послужить рис. 1 д. Однако здесь на большой глубине находится армирование большей толщины прута и "усы" здесь более выражены (они обладают так же большой длительностью, что не видно из-за обработки выбранной для рис. 1 д).

Рис. 2. Помеховые факторы при выделении армирования

2. Выделение второго ряда армирования, определение толщины обделки. Принятие решения о наличие второго ряда важно, поскольку это влияет на прочностные свойства конструкции и её поведение при изменении нагрузок. Основным признаком выделения и 1-го и 2-го ряда является регулярность аномалий (см. рис. 3 б).

Основным помеховым фактором при выделении 2-го ряда является влияние 1-го: "усы" ГОС от соседних прутов 1-го ряда накладываются друг на друга, формируя сложную сеть помеховых артефактов. В результате при обследовании обделок, из-за интерференции помех достаточно часто бывает трудно выделить прут армирования, не смотря на то, что он создаёт достаточно существенный амплитудный максимум. В ряде случаев не удаётся выделить 2-й ряд даже по мигрированному разрезу - приходится снимать несколько радарограмм, рассчитывая на то, что в какой то из этих съёмок свойства бетона или помеховая ситуация, или смещение первого ряда относительно второго позволят выявить регулярный ряд аномалий.

Рис. 3. Примеры выделения нескольких рядов армирования. Все разрезы кроме а - смигрированы

При этом пересечение "усов" ГОС может создавать ложный ряд аномалий ниже первого ряда. "Усы" будут продолжаться дальше точки пересечения, а их наклон будет соответствовать ' среды, что при мигрировании создаст максимум. В результате точки пересечения будут выглядеть как второй ряд армирования. Пример подобной ситуации представлен на рис. 2 б (это иначе обработанная радарограмма рис. 2 а) на котором обработкой выделен регулярный ряд локальных максимумов (один из них обведён окружностью и указан цифрой 2). Если взять номера отсчёта и трассы, на которых находится аномалия (рис. 2 б), то окажется что она попадает не в вершину ГОС исходной радарограммы (рис. 2 а), а в перекрестие "усов" (цифра 2 на рис. 2 а). Принимать решение в этом случае приходится на основании опробываний различных вариантов обработки радарограммы, проверяя на какие участки исходной радарограммы указывают аномалии.

При этом пересечение "усов" ГОС может создавать ложный ряд аномалий ниже первого ряда. "Усы" будут продолжаться дальше точки пересечения, а их наклон будет соответствовать ε' среды, что при мигрировании создаст максимум. В результате точки пересечения будут выглядеть как второй ряд армирования. Пример подобной ситуации представлен на рис. 2 б (это иначе обработанная радарограмма рис. 2 а) на котором обработкой выделен регулярный ряд локальных максимумов (один из них обведён окружностью и указан цифрой 2). Если взять номера отсчёта и трассы, на которых находится аномалия (рис. 2 б), то окажется что она попадает не в вершину ГОС исходной радарограммы (рис. 2 а), а в перекрестие "усов" (цифра 2 на рис. 2 а). Принимать решение в этом случае приходится на основании опробываний различных вариантов обработки радарограммы, проверяя на какие участки исходной радарограммы указывают аномалии.

В ряде случаев по второму ряду можно оценить толщину обделки, оценив глубину заложения второго ряда и добавив к нему ожидаемую глубину защитного слоя. Граница "плита-грунт" может выделяться достаточно слабо и часто это единственный выход. Причиной здесь является не очень большой контраст по ε' границы "плита-грунт" (исключая случаи, когда на границе присутствует вода), но в большей степени это вызывается помеховым влиянием самого армирования. При небольшой толщине обделки пруты армирования (оба ряда) находятся достаточно близко к георадару, поэтому ГОС имеют достаточно длинные "усы", которые накладываются на границу и снижают её читаемость. В этой ситуации смигрированные радиобразы армирования дают глубину заложения второго ряда арматуры, что позволяет, в том числе, и по нему искать границу "плита-грунт".

То на сколько лучше выделяется 2-й ряд вне влияния 1-го показывает рис. 3 а и б (одна и та же радарограмма в 2-х обработках) - это результат обследования фундамента в коллекторе - здесь присутствует две плиты с однорядным армированием в каждой из них. Подобная структура объекта привела к тому, что сетки армирования разнесены на ~30 см и не мешают друг другу. Рис. 3 а - исходный разрез, б - после ГМ-АПГ, хорошо видны оба ряда. В примере рис. 3 в и г (2-е обработки, обе с ГМ) - сетки находятся на расстоянии ~10 см, это обычная плита обделки с двурядным армированием. Здесь второй ряд еле удалось выделить (отдельные аномалии указаны стрелками, цифра 1). Тем не менее, те же расстояния в 10 см в случае рис. 3 д и е (2-е обработки, обе с ГМ) позволяют легко видеть ряды в обделке (хотя это не удалось сделать на одной радарограмме и пришлось создавать две разные с разной обработкой). Сопоставляя радарограммы рис. 3 д и е можно заметить, что ряды находятся на разной глубине - при этом специфика обработки (ГМ-АПГ), а так же то, что максимумы второго ряд находятся не под максимумами первого не позволяет предположить, что речь не идёт о выделенных последующих полупериодах отражений 1-го ряда. Детальный анализ также показал, что второй ряд на рис. 3 е не результат пересечения "усов" ГОС.

Возможно, сложности с выделением последующих рядов и границ частично можно снять за счёт развития методик обработки данных и выделения признаков наличия армирования в условиях помех. В частности в некоторых случаях удавалось выделять второй ряд после частотного преобразования Гильберта.

3. Определение толщины защитного слоя (глубины заложения арматуры) и толщины обделки. Примером решения подобной задачи может послужить рис. 1 б, на котором можно заметить измерение глубины заложения армирования. Успешное решение этих задач зависит от корректной оценки кинематических параметров объекта обследования (которые определяются ε'). Обычно предполагается использование калибровочного бурения, после которого становится известна толщина конструкции [4]. Сопоставление времён прихода донного отражения и толщины конструкции позволяет оценить скорость и ε'. Проблемой здесь является нежелательность разрушающего воздействия в действующих тоннелях метрополитенов и трудоёмкость этих операций. Возможно, выходом в этой ситуации может стать использование ГМ, эффективность которой зависит от правильно подобранной скорости среды, в которой формируются ГОС. Фактически железобетонная плита - объект, насыщенный ГОС-ми, маркерами, указывающими на скорость в ней. Вопрос стоит в выработке характеристики, которая будет оценивать эффективность миграции.

Рис. 4. Оценка толщины защитного слоя: а) - вычитание среднего; б) - вычитание помеховой модели; пунктирная линия - окончание первого полупериода прямой волны

Еще одна проблема связана с необходимостью указать временную точку, которую стоит принять за первое вступление сигнала, отражённого от прута (ситуация обостряется при слишком малых значениях защитного слоя). А также с корректным определением положения нуля глубин. Для георадаров "ОКО-2" существует рекомендация выставлять ноль по концу первого полупериода прямой волны [1; 5]. Однако в некоторых случаях аномалия, которую даёт прут присутствует на более ранних отсчётах чем этот временной уровень. Это иллюстрирует рис. 4. Радарограмма дана в двух обработках, направленных на подавление прямой волы (традиционное ВС и методика с вычитанием помеховой модели, которая была изложена в [6]), что бы показать что не обработка вызвала слишком рано начавшуюся аномалию от прута (аномалия указана цифрой "1").

Выводы. Таким образом, среди основных задач георадиолокационного выявления параметров армирования можно назвать: определение шага арматурной сетки, выявление последующих рядов армирования, определение толщины защитного слоя и получение оценок '. Некоторые из этих задач в конкретных условиях решаются достаточно легко, другие же требуют разработки новых методик. Решениями могут быть: снижение влияние помеховых факторов и разработка критериев, по которым будут приниматься решения.

Список использованной литературы:

1. Изюмов С.В., Дручинин С.В., Вознесенский А.С. Теория и методы георадиолокации: Учеб.пособие / М.: "Горная книга", 2008. - 196 с.

2. Еременко А.В., Зверев Е.О., Клепикова С.М., Монахов В.В. Георадиолокация в присутствии железобетонных конструкций // Разведка и охрана недр. - 2004, №12. С. 26-28.

3. Блохин Д.И., Вознесенский А.С., Кудинов И.И., Набатов В.В., Шейнин В.И. Опыт использования геофизических методов для оценки фактических конструктивных параметров железобетонных фундаментных плит // Горный информационно-аналитический бюллетень. Москва, 2011, №2. С. 283-289.

4. Рекомендации по проведению георадиолокационного обследования объектов промышленного и гражданского строительства [текст] / ООО "Логические системы" г. Раменское. - 2008. - 24 с.

5. Программа управления георадаром "ОКО-2" и визуализации получаемых данных GeoScan32. Руководство пользователя. Версия 2.5 / ООО "Логические Системы". 2009. - 132 с.

6. Набатов В.В. Повышение эффективности георадиолокационного обследования конструкций тоннелей метрополитенов за счёт уменьшения помехового влияния прямой волны // ГИАБ. - 2014, Отдельный выпуск №1. - С. 43-55.

Сведения об авторах:

1. Набатов В. В. - кандидат технических наук, доцент кафедры ФТКП Московского государственного горного университета

2. Гайсин Р. М. - кандидат технических наук, доцент кафедры ФТКП Московского государственного горного университета.