Контроль ЛГО

Рис.1. Участок строительства ствола шахты №841 (Санкт-Петербург, Ленинский пр., 2017 г.) .при проведении межскважинного акустического просвечивания естественных грунтов до замораживания (а) и ледогрунтового ограждения (б),

Историческая справка. В мае 1974г. Управление Ленметростроя обратилось во Всесоюзный НИИ методики и техники разведки (ВИТР, директор Г.К.Волосюк, зам.директора А.Ф.Фокин) с просьбой оказать помощь при ликвидации последствий аварии на участке Кировско-Выборгской линии Ленинградского метрополитена (участок "Размыв"). Поставленная задача определения размеров зоны плывуна, вклинившегося в ледогрунтовый массив на участке перегонного тоннеля в районе площади Мужества, была успешно решена учеными и инженерами ВИТР (Андреев О.С., Стрыгин Д.Н., Рудакова Н.П., Панкратов Е.М., Беляева Л.С. и др.) методом межскважинного акустического просвечивания (МАП) аппаратурой МАП-1. С мая 1974г. по декабрь 1975г. контроль состояния ледогрунтового массива был проведен на всех участках зоны “Размыв” в интервале глубин 50—85 м, что стало основой для принятия решения о начале проходческих работ. В процессе исследований были установлены скорости распространения упругой волны в естественных и замороженных грунтах, что явилось предпосылкой для разработки и многолетнего использования методики контроля сплошности ледогрунтовых ограждений по изменению скорости упругой волны до и после замораживания.

ООО “Геодиагностика” продолжает развивать одну из разновидностей геофизического метода прозвучивания - межскважинное акустическое просвечивание (МАП), разработкой которого с 60-х годов 20 века и вплоть до своей гибели в 2003г. занимался Всероссийский НИИ методики и техники разведки (ВИТР). В 2001–2022 гг. сотрудниками ООО “Геодиагностика” методом межскважинного акустического просвечивания (прозвучивания) произведен контроль сплошности 42 ледогрунтовых ограждений и массивов шахтных стволов, наклонных ходов (эскалаторных тоннелей) и штолен.

На объектах строительства Санкт-Петербургского метрополитена был выполнен контроль сплошности ледогрунтовых ограждений шахтных стволов №214бис (ул. Карбышева), №507 (ул. Ольховая), №613 (Введенский канал), №617 (Расстанная ул.), №619 (Стрельбищенская ул.), №621 (Бухарестская ул.), №625 (Бухарестская ул.), №403 (Васильевский остров), №841 (Ленинский пр.), №845 (ул. Броневая), №571 (ул.Шевченко), №573 (ул. Александра Блока), наклонных ходов станций Волковская, Международная, Бухарестская, проспект Славы 1 и 2, Казаковская, Путиловская (первичный цикл) и ледо-грунтоцементного ограждения наклонного хода станции Звенигородская.

При строительстве канализации Санкт-Петербурга был выполнен контроль сплошности ледогрунтовых ограждений: шахтных стволов №5, №5/1, №5/2 и №7 объекта “Строительство Резервного канализационного коллектора в районе площади Мужества”, шахтных стволов №415, №418, №431/3, №431/4, №1-24, №428/1, №431/5, №431/2, №431-3, №431-4, №435/1, №439, №440, штольни шахты 441А объекта “Продолжение главного коллектора северной части Санкт-Петербурга”; шахтных стволов №601, №603, №604, №606 объекта “Строительство тоннельного канализационного коллектора от территории “Северная долина” до шахты 335 тоннельного канализационного коллектора “Комендантского аэродрома”” и шахтного ствола №17/2 (Конюшенный пер.) и камеры шахты №20/1 объекта “Кольцующий канализационный тоннель между шахтами №17/2 и №20/1 по набережной реки Мойка”. Из 41 объектов 40 объект пройден без осложнений.

Специалисты ООО "Геодиагностика" участвовали в первичном межскважинном акустическом просвечивании (прозвучивании) горных пород скипового и клетьевого стволов рудника "Мир" до замораживания (г.Мирный, Республика Саха-Якутия). Определены фоновые акустические характеристики горных пород до замораживания, выделены интервалы залегания коллекторов метегеро-ичерского водоносного горизонта. Одной из причин аварии на подземном руднике "Мир" 4 августа 2017 г. стало отсутствие контроля сплошности предохранительного целика методом межскважинного прозвучивания при бурении дренажных скважин в карьер из подземных горных выработок на горизонте -210 м.

ВВЕДЕНИЕ

Искусственное замораживание грунтов широко применяется в практике подземного строительства с целью создания водонепроницаемых и несущих ледогрунтовых ограждений (массивов) для проходки горных выработок в водонасыщенных и текучих грунтах.

В Санкт-Петербурге (Ленинграде) вследствие распространенности водоносных грунтов и плывунов технология искусственного замораживания грунтов со второй половины ХХ века практически не имела конкуренции при строительстве шахтных стволов и наклонных ходов метро и канализационных коллекторов. Глубина замораживания, как правило, находится в пределах от 20 до 70 м.

Несмотря на начало внедрения в Санкт-Петербурге с 2009 г. щитовых способов проходки вертикальных шахтных стволов и наклонных ходов на некоторых объектах строительства метро (генеральный подрядчик ОАО “Метрострой”; наклонные хода станций метро Обводный канал, Адмиралтейская, Спасская) и канализации (генеральный подрядчик ООО “СТИС, два шахтных ствола продолжения Главного коллектора Санкт-Петербурга, ул.Зольная и Свердловская наб.), технология искусственного замораживания грунтов, по мнению автора, останется востребованной и в XXI веке за счет хорошей отработанности и понятной стоимости. Не замахиваясь (что бессмысленно) на щитовую технологию проходки горных выработок, автор отмечает ее высокую стоимость за счет необходимости покупки зарубежных комплексов, выполнения подготовительных мероприятий, включая стабилизацию грунтового массива способом струйной цементации, технического обслуживания и текущего ремонта щита, консервации оборудования при простоях и т.д.. Дополнительные риски для щита (бурильной машины) возникают при проходке валунных отложений и водоносных горизонтов. По наблюдениям автора во время щитовой проходки ООО "СТИС" вертикального ствола на Свердловской набережной было построено три ствола под защитой ледогрунтового ограждения. Вертикальный механический щит, реализующий технологию опускного колодца, длительное время простаивал вследствие износа режущих элементов и ожидании закупки импортных комплектующих и расходных материалов. Кроме этого при эксплуатации начальных участков наклонных тоннелей и двухпутных тоннелей большого диаметра, где щит постепенно углублется и проходит водоносные прослои, нарушая сплошность водоупорных слоев кровли, возникают дополнительные риски поступления грунтовых вод внутрь выработки и увеличения эксплуатационных расходов за счет дополнительной гидроизоляции обделки и инъектирования (укрепления)окружающих грунтов для снижения фильтрационных свойств.

Ниже рассмотрены технология исскуственного замораживания грунтов и контроль сплошности ледогрунтовых ограждений методом межскважинного акустического просвечивания (МАП)

1. Технологии искусственного замораживания грунтов и контроль состояния ледогрунтовых ограждений

В настоящее время наиболее широко применяются две технологии искусственного замораживания грунтов: замораживание охлажденным рассолом (температура до -40 ^оС⁾ и замораживание жидким азотом (температура -196 ^оС). Схемы рассольного и жидказотного замораживания приведены на рис.2 и 3.

Технология рассольного замораживания грунтов реализуется путем бурения скважин по контуру будущего ограждения, устройством в скважинах замораживающих колонок, монтажа на площадке прямого и обратного коллекторов и холодильного оборудования, циркуляцией в замораживающих колонках рассола (холодоносителя) с температурой -20....-40 ^оС до образования и смыкания соседних ледопородных цилиндров.

Технология жидкоазотного замораживания грунтов реализуется путем бурения замораживающей скважины, устройством в скважине замораживающей колонки, монтажа обудования для слива жидкого азота в скважину, слива в замораживающую колонку жидкого азота с температурой -196 ^оС до образования ледопородного цилиндра требуемого диаметра.

Основным отличием в технологиях рассольного и жидкоазотного замораживания, по наблюдениям автора, является скорость наростания ледопородного цилиндра вокруг замораживающей колонки. При жидкоазотном замораживании ледопородный цилиндр растет быстрее.

Рис.2. Схема искусственного замораживания грунтов охлажденным рассолом

1 – замораживающая колонка; 2 – форшахта; 3 – прямой коллектор; 4 – обратный коллектор; 5 – холодильная установка

Рис.3. Схема искусственного замораживания грунтов

жидким азотом и парами жидкого азотоа

1 – замороженный массив грунтов; 2 - столб жидкого азота; 3 – замораживающая колонка; 4 – питающая труба; 5 – линия слива жидкого азота; 6 – расходомер; 7 – цистерна с жидким азотом;8 - термопреобразователи; 9 - скважинная кабельная термопреобразовательная сборка; 10 - наземная линия связи; 11 - многоканальный термоизмеритель

Проблемы контроля состояния ледогрунтовых ограждений

Создание ледогрунтового ограждения и поддержание его в работоспособном состоянии во время проходки является непростой задачей из-за сложности технологического процесса и существования многочисленных факторов, влияющих на замораживание грунтов. Основными опасными факторами для формирования ледогрунтового ограждения являются: расхождение трасс замораживающих скважин, движение грунтовых вод, недостаточная холодопроизводительность холодильного оборудования и человеческий фактор.

Реализация технологии искусственного замораживания грунтов сопряжена со значительным риском нарушения сплошности ледогрунтового ограждения и возникновения аварийной ситуации с прорывом грунтовых вод внутрь выработки (рис.4, 5, 6). По наблюдениям автора, к аварии приводит сочетание нескольких, иногда самых неожиданных, факторов. Прорыв грунтовых вод внутрь выработки, как правило, сопровождается осадками земной поверхности за контуром ограждения, а ликвидация аварии - значительными финансовыми и временными затратами. При аварии приходится быстро затапливать выработку для создания давления на забой и прекращения поступления грунта и грунтовых вод внутрь выработки. Наиболее известная авария с ледогрунтовым ограждением произошла в 1974г. в Лениграде при строительстве перегонных тоннелей метро между станциями Лесная и Площадь Мужества на участке "Размыв" .


Рис.4. Шахтный ствол, затопленный после прорыва ледогрунтового ограждения для предотвращения осадок земной поверхности	Рис.5. Схема аварии с прорывом грунтовых вод внутрь выработки при проходке ствола под защитой ледогрунтового ограждения 1 – незамороженные грунт; 2 - забой выработки; 3 - ледогрунтовое ограждение; 4 – обделка ствола; 5 – зонанесплошности в ледогрунтовом ограждении; 6 – водонасыщенный прослой с движущимися грунтовыми водами	Рис.6 Ликвидация аварии на стволе шахты №604 канализационного коллектора в Санкт-Петербурге дополнительным замораживанием днища (2008г.)

Контроль состояния ледогрунтового ограждения

Вопросы контроля состояния формируемого ледогрунтового ограждения (ЛГО) имеют первостепенное значение, так как от качества их решения зависят безопасность и сроки выполнения работ. В настоящее время сложилась комплексная система контроля состояния ледогрунтовых ограждений включающая:

а) Измерение температуры грунта в термометрических скважинах (колонках), пробуренных на проектных границах ледогрунтового ограждения.

б) Межскважинное прозвучивание (акустическое, ультразвуковое) ледогрунтового ограждения между замораживающими (наблюдательными) колонками;

в) Гидрогеологические наблюдения (контроль уровня грунтовых вод) в гидрогеологических скважинах, пробуренных внутри и вне контура ледогрунтового ограждения.

Практика замораживания грунтов в Санкт-Петербурге показала, что совокупность только термометрических и гидрогеологических измерений не является достаточной для надежного определения состояния ледогрунтового ограждения, так как измерения производятся в отдельных точках массива грунтов. Распространение немногочисленных результатов точечных температурных измерений на все ледогрунтовое ограждение содержит значительные допущения. Особенно сильно достоверность оценки состояния ледогрунтового ограждения по температурным измерениям снижается при отклонениях термометрических скважин от проектной границы ЛГО. При отклонении траектории термометрических скважин от проектной скважинные термометры показывают или очень низкую температуру (если смещение скважины произошло в направлении замораживающих колонок) или температуру естественного грунта (если смещение скважины произошло в сторону массива грунтов). В обоих случаях в зоне отклонения термометрической скважины по температурным измерениям невозможно определить достиг ли диаметр ледопородного цилиндра проектного значения и сомкнулся ли контур ледогрунтового ограждения.

Дополнительные риски несут аварии рассольной сети с утечкой рассола в грунт. При утечке рассола в грунт температура замерзания грунта снижается и приближается к температуре замеразания рассола. В этом случае потока холода от замораживающей колонки может быть недостаточно для замораживания грунта с рассолом. Скорее всего именно утечки рассола в грунт стали одной из причин прорыва плывуна через ледогрунтовое ограждение в строящийся тоннель на участке "Размыв" в Лениграде в 1974г.

В некоторых геологических условиях излив грунтовых вод из наблюдательной скважины, пробуренной внутри контура ограждения, может не происходить даже при смыкании ледогрунтового ограждения.

Межскважинное прозвучивание контура ледогрунтового ограждения позволяет получить прямую информацию о наличии сплошности ледогрунтового ограждения (смукании ледогрунтовых цилиндров). Отказ от прозвучивания ледогрунтовых ограждений приводят к росту числа аварий. Так на у одного из Заказчиков в 2009г. после отказа от контроля сплошности ледогрунтовых ограждений произошли три аварии за ликвидацию которых заплатил налогоплательщик, правда, даже не узнав об этом. Стоимость межскважинного прозвучивания ледогрунтового ограждения шахтного ствола в разы меньше затрат на ликвидацию аварий и последующую гидроизоляцию разуплотненного участка массива грунтов при эксплуатации шахты.

Акустический контроль сплошности ледогрунтовых ограждений методом межскважинного прозвучивания (МАП) вместе с температурными измерениями и гидрогеологическими наблюдениями составляют современную эффективную систему контроля состояния ледогрунтовых ограждений.

Нормативная база применения акустического контроля сплошности ледогрунтовых ограждений.

Необходимость контроля сплошности ледогрунтового ограждения выстрадана опытом предидущих поколений. Автор отмечает ведущую роль проектного института ОАО «НИПИИ «Ленметрогипротранс» в разработке технологий замораживания и контроле качества ледогрунтовых ограждений. Применение акустических (ультразвуковых) методов контроля сплошности при замораживании предусмотрено действующей нормативной документацией:

- СП 45.13330.2012 “Земляные сооружения, основания и фундаменты” (Актуализированная редакция СНиП 3.02.01-87). Раздел 19 “Искусственное замораживание грунтов”, пункт 19.19. Состав контролируемых показателей, предельные отклонения, объем и методы контроля при производстве работ по искусственному замораживанию грунтов.

- СП 32-105-2004 Свод правил по проектированию и строительству. Метрополитены. Раздел 6.7.2 “Искусственное замораживание грунтов”, пункт 6.7.2.8. “Контроль за производством и приемкой работ по искусственному замораживанию грунтов”.

Следует отметить, что по наблюдениям автора, подрядчики в подавляющем числе случаев не заинтересованы в контроле качества выполнения работ на опасных объектах (так легче всего списать аварию на ошибки проекта, ужасные грунты и заработать на ликвидации аварии) и пытаются всеми способами его избежать. Свежий пример это строительство Охтинского коллектора в Санкт-Петербурге, где с применением метода замораживания с 2015г. сооружаются шахтные ствола. Новый генподрядчик, пришедший на смену ООО "СТИС", несмотря на требования проектной документации, не выполняет акустический контроль сплошности, что, по-мнению автора, определяется только желанием получить дополнительную прибыль. От аварий нового генподрядчика по строительству канализации пока спасают в целом морально устаревшие, дорогостоящие, но имеющие значительный и избыточный запас по прочности ЛГО, проекты создания ледогрунтовых ограждений двумя рядами замораживающих колонок. Разработанный во второй половине прошлого века проект искусственного замораживания двумя рядами замораживающих колонок предусматривал использование сварного соеденинения труб в замораживающей колонке. Вследствие высоких рисков разрыва сварного соединения от неравномерных усилий со стороны грунта при замораживании и применении только температурного и гидрогеологического контроля использование двух рядов замораживающих колонок при формировании ледогрунтового ограждения было оправдано. Но в настоящее время использование двух рядов замораживающих колонок при формированиии ограждения шахтного ствола глубиной до 50-70 для налогоплательщика невыгодно из-за высокой стоимости проекта за счет бурения в два раза большего числа скважин.

Но даже при двух рядах скважин при отстуствии акустического контроля сплошности ледогрунтового ограждения в интервалах залегания водоносных прослоев на водоупорными основаниями весьма высока.

В целом экономящего при выполнении работ генподрядчика понять можно - он просто переложил свои риски на государство. А вот понять проектную организацию Государственное унитарное предприятие «Ленгипроинжпроект» - нет. Считаю, что налогоплательщик вправе рассчитывать, что бы Заказчик в лице государства и государственный проектировщик выполняли требования утвержденных строительных норм и правил, так как именно налогоплательщик оплачивает строительство и заинтересован в качестве работ и снижении затрат на последующую эксплуатацию коллектора. Не выполнение требований нормативной документации и не использование обязательного метода контроля, по сути, является нарушением Федерального закона "О техническом регулировании" N184ФЗ от 27.12.2002г. Несомненно, что когда-нибудь это приведет к серьезной аварии. Интересно будет ли генопдрядчик ликвидировать аварию с ледогрунтовым ограждением за счет собственных средств или обратиться за деньгами налогоплательщиков?

2. Контроль сплошности (состояния) ледогрунтовых ограждений методом межскважинного акустического просвечивания (прозвучивания)

Межскважинное акустическое просвечивание (МАП) включает возбуждение и прием импульса упругой волны в скважинах и оценку состояния грунтов в межскважинном пространстве по результатам сравнения параметров прямой проходящей продольной волны (сигнала) с диагностическими признаками состояний естественных и искусственных грунтов. Основные отличия метода межскважинного акустического просвечивания в модификации ВИТР - ООО “Геодиагностика” заключаются в возбуждении среды коротким (длительность десятки микросекунд) и очень мощным ударным импульсом давления от электроискрового излучателя и регистрации упругих волн высокочувствительным пьезокерамическим приемником давления, что позволяет обеспечить большую дальность прозвучивания и высокое разрешение во времени и пространстве. Параметры импульса (мощность, звуковое давление, спектр) упругой волны оптимальны для исследования ледогрунта.

Физические основы метода прозвучивания

Физической основой применения метода межскважинного акустического просвечивания (прозвучивания) для расчленения геологического разреза и контроля сплошности массивов искусственных грунтов является установленная многочисленными исследованиями зависимость параметров проходящих упругих волн от упругих, деформационных, прочностных свойств и пористости естественных и искусственных грунтов [2, 3, 4].

При искусственном закреплении (струйной цементации, кольматации глино-цементными смесями, замораживании, замещении бетоном и др.) в результате механического воздействия, физических процессов и химических реакций происходит изменение свойств естественных грунтов. Причем физические процессы для каждой технологии закрепления грунтов уникальны.

Грунты являются трехкомпонентными веществами, состоящими из минерального скелета, воды и воздуха. Вода в грунтах находится в свободном и связанном состоянии. Воздух, заполняет поры в грунтах. При замораживании грунтов жидкость, содержащаяся в грунтах, постепенно замерзает и образующийся лед как цемент схватывает частицы, что приводит к увеличению прочности и водонепроницаемости грунтов. После закрепления упругие свойства грунтов и условия распространения упругих волн изменяются. По мере распространения от точки возбуждения происходит изменение кинематических (скорости) и динамических (амплитуды, частоты) параметров упругой волны. Очевидно, что параметры упругой волны, прошедшей сквозь массив искусственных грунтов будут отличаться от параметров упругой волны, распространяющейся в массиве неизмененных грунтов

Исследования зависимости скорости распространения упругих волн в горных породах от температуры, выполненные в СССР Н.А.Цитовичем, А.Д.Фроловым, Ф.Ф.Аптикаевым и другими учеными показали, что при замораживании горных пород происходит увеличение скорости упругой волны, причем около 0 град С, за счет замерзания воды, скорость упругой волны увеличивается скачкообразно (рис.7). Увеличение скорости упругой волны в замороженных грунтах составляет 200-300% относительно скорости упругой волны в грунтах до замораживания.

Рис.7. Зависимость скорости распространения упругих волн от температуры для некоторых горных пород

(из отчета ВИТР по теме Г.П.5/020 137-4/381Д Усовершенствование методики и техники контроля сплошности ледогрунтового массива

с применением межскважинного акустического просвечивания. Л.1975)

При наличии в исследуемом массиве зоны несплошности (пористости, трещиноватости) на пути распространения упругой волны возникает явление “акустической тени”, выражающееся в резком уменьшении скорости, амплитуды и частоты импульса упругой волны. Физика явления “акустической тени” базируется на процессах отражения упругой волны на границе раздела дефект - массив грунт и огибании (дифракции) упругой волны препятствия с увеличением пути распространения. Скорость распространения упругой волны связана с прочностными свойствами ледогрунта. Зависимость скорости распространения упругой волны от прочности и пористости материала и возникновение явления “акустической тени” при появлении дефектов и является физической основой для контроля состояния массивов искусственных грунтов методом прозвучивания.

В целом общие зависимости изменения свойств грунтов при замораживании в настоящее время понятны. При введении холода и понижении температуры ниже температуры замерзания горная порода замерзнет. Но состояние ледогрунтового ограждения (размеры, сплошность, прочность, гидроустойчивость) в конкретный момент времени и точке пространства из-за многочисленных факторов влияющих на замораживание (работоспособность холодильного оборудования, конструкция замораживающих колонок, теплофизических свойств грунтов, наличия движения грунтовых вод и др.) можно определить только путем измерений физических величин в контуре ограждения.

Схемы прозвучивания ледогрунтового ограждения

Системы наблюдений разрабатываются исходя из решаемых на объекте задач. При проведении МАП могут использоваться замораживающие колонки, термометрические скважины или наблюдательные скважины, специально пробуренные для прозвучивания ЛГО.

Методика контроля массива искусственно закрепленных грунтов методом МАП предусматривает два основных цикла работ: первичный и заключительный. Цель первичного цикла - получение фоновых акустических характеристик грунтов до замораживания, заключительного цикла - контроль качества укрепления (сплошности и прочности), выявление ослабленных зон для предотвращения аварий при проходке.

Синхронная схема исследований с параллельным перемещением скважинных приборов (рис.8) оптимальна для слоистых грунтов Санкт-Петербурга и сред с вертикальным градиентом изменения свойств, так как позволяет зарегистрировать неискаженное первое вступление упругой волны и уменьшить методическую погрешность определения границ раздела слоев грунта. Веерные схемы применяются при межскважинной сейсмотомографии для детального исследования структуры массива в межскважинном пространстве путем увеличения числа разнонаправленных лучей, проходящих через исследуемую зону.

а б

Рис.8. Схема межскважинного акустического просвечивания (прозвучивания) ледогрунтового ограждения наклонного хода в плане (а) и по глубине (б)

Диагностические параметры состояния грунтов при межскважинном акустическом просвечивании (прозвучивании)

Диагностические параметры - это измеряемые величины: скорость распространения (время прихода), амплитуда звукового давления и спектр импульса упругих волн, прошедшего массив грунтов (рис.9). В параметрах прямой проходящей продольной волны (сигнале) присутствует информация о свойствах и состоянии грунта. Основной диагностический параметр – скорость продольной упругой волны v_р. Определение (косвенное измерение) скорости УВ v_р (м/с) производится по измеренным значениям расстояния L между точками возбуждения и приема и времени распространения упругой волны t по формуле:

v_р = L/ t .

Измерение амплитуды импульса упругой волны производится непосредственно на сигналограммах в вольтах и затем переводится в единицы звукового давления (Па) по характеристике чувствительности скважинного приемника.

Расчет спектра производится в программе цифровой обработки сигналов методом быстрого преобразования Фурье (БПФ). Параметры БПФ выбираются исходя из параметров записи.

Предварительная оценка спектра производится по видимой частоте импульса упругих волн f_в(Гц). Видимая частота f_в(Гц) импульса рассчитывается на основе измеренного значения длительности первого отрицательного (положительного) полупериода t_в=T/2 по формуле:

f_в = 1 / (2^. t_в) .

а б

Рис.9. Диагностические параметры метода прозвучивания

а - параметры первого вступления импульса продольной упругой волны; б – спектр импульса упругой волны

t – время прихода упругой волны, мс, А – амплитуда звукового давления , Па, T/2 – длительность полупериода упругой волны, мс

Диагностические признаки состояния ледогрунтового ограждения

Диагностические признаки - это определенная совокупность диагностических параметров, увязанная с конкретным состоянием искусственного грунта, в данном случае ледогрунта.

В ООО “Геодиагностика” уже накоплен достаточно большой объем производственных данных по изменению скорости упругой волны в различных грунтах при замораживании. До искусственного закрепления грунтов скорость упругой волны в слабых грунтах (текучих и мягкопластичных суглинках и супесях, водонасыщенных песках) не превышает 1750 м/с, а после замораживания может достигать 4000 и более м/с (увеличение 150–300%). Слабо укрепленные или незамороженные зоны выделяются по пониженным значениям скоростей упругих волн. Увеличение скорости упругой волны указывает на рост прочности и однородности закрепленного массива. Уменьшение скорости, амплитуды и частоты упругой волн связано с затуханием и вызывается неоднородностью, разуплотненностью, пористостью грунтов. Наличие зоны несплошности диагностируется по резкому уменьшению скорости, амплитуды и частоты упругой волны (вплоть до пропадания сигнала) по лучам прозвучивания, пересекающим тело закрепленного массива.

Состояние грунта характеризуется определенным сочетанием параметров импульса упругой волны (диагностическим признаком), что позволяет точно диагностировать местоположение прослоя грунта в разрезе. Увеличение скорости упругой волны указывает на уменьшение пластичности песчано-глинистых грунтов (в направлении от текучей до твердой консистенции) и рост прочности искусственных грунтов. Смещение спектра в сторону высоких частот показывает на водонасыщенность песчаных грунтов и увеличение текучести и тиксотропности песчано-глинистых грунтов (супесей, суглинков, глин). Уменьшение амплитуды упругой волны связано с затуханием упругой волны и вызывается неоднородностью, разуплотненностью, пористостью, отсутствием грунтовых вод или слоистостью грунтов.

На основе длительного опыта контроля сплошности ледогрунтовых ограждений в ООО "Геодиагностика" сформирована таблица диагностических признаков, позволяющая на основе сочетания диагностических параметров (скорости упругой волны, акустического спектра, коэффициента затухания и др.) определять состояние ограждения (сплошность, неоднородность, наличие дефектов). Контроль прочности ледогрунта производится на основе градуировочных зависимостей “скорость упругой волны – прочность на одноосное сжатие”.

Применение метода прозвучивания при контроле сплошности ледогрунтовых ограждений регламентируется действующими нормативно-техническими документами СП 45.13330.2012, СП 32-105-2004, МУ “Методические указания по контролю состояния ледогрунтовых ограждений межскважинным акустическим просвечиванием (МАП) при сооружении тоннелей в сложных гидрогеологических условиях“ Л., ВИТР, 1981 и МВИ 2520 – 018 - 2008 “Методика выполнения измерений ударного ускорения при контроле сплошности бетонных, грунтобетонных и ледогрунтовых свай и массивов методами импульсного акустического зондирования и прозвучивания”.

Аппаратура

Технические средства и методики акустического просвечивания (прозвучивания) в СССР разрабатывались в крупных научных организациях Всероссийском НИИ методики и техники разведки (ВИТР, г.Ленинград), Казахском филиале ВИРГ НПО “Геофизика” (г.Алма-Ата) и ВНИИЯГГ (г.Москва).

Существующие в настоящее время аппаратуры отличаются способом возбуждения упругой волны, типом и частотным диапазоном возбуждаемого импульса упругой волны (звуковой импульс имеет частоту заполнения 0-20 кГц, ультразвуковой - свыше 20 кГц) типом скважинного приемника, конструктивными особенностями и др. Чем ниже частота возбуждаемого импульса упругой волны, тем дальше распространяется упругая волна. По мнению автора, для прозвучивания ледогрунтовых ограждений рационально использование аппаратур, возбуждающих мощный короткий импульс звукового диапазона частот 2-10 кГц.

Автор познакомился с работой конкурирующей ультразвуковой аппаратуры УКЛО Белгородского ШСУ на объекте компании АЛРОСА г.Мирный (Якутия). По наблюдениям автора, ультразвуковая аппаратура имеет ограниченную дальность действия 1-3 м, что требует проводить прозвучивание между соседними замораживающими колонками, и только по кратчайшему расстоянию, что приводит к резкому возрастанию объема и длительности работ по контролю сплошности ЛГО. Кроме этого, за счет невысокой мощности и большого затухания ультразвукового импульса, ультразвуковое прозвучивание в неоднородных ледогрунтах и грунтах затруденно за счет высокой погрешности измерений времени распространения ультразвуковых колебаний.

ООО “Геодиагностика” разработало оригинальные компьютеризированные аппаратурные комплексы импульсного акустического просвечивания и зондирования АПЗ-1 для малых глубин до 100 м и межскважинного акустического просвечивания МАП-2 для глубин до 2000 м . Аппаратурные комплексы АПЗ-1 и МАП-2 предназначены для измерения времени распространения, амплитуды и частоты импульса упругих волн в горных породах между излучателем и приемником с целью определения упругих характеристик среды. Отличительной особенностью аппаратур является использование приемника звукового давления чувствительностью не менее 30 мВ/Па и рабочим частотным диапазоном 100 - 20000 Гц, включение в состав комплекса персонального компьютера с программами математической обработки сигналов и наличие метрологического обеспечения.

Рис.10. Аппаратурный комплекс импульсного акустического просвечивания и зондирования АПЗ-1

Для контроля сплошности ледогрунтовых ограждений глубиной до 100 м используется аппаратурный комплекс АПЗ-1 в составе излучающей установки (генератор импульсов тока ГИТ, кабель РК длиной до 150 м с электроискровым излучателем ИЭ) и измерительной системы (комплекс программно-аппаратных средств в ударопрочном корпусе, кабель скважинного приемника длиной до 150м, скважинный приемник). В комплект документации входят: руководство по эксплуатации, методика выполнения измерений, методика диагностирования состояния (контроля сплошности) ледогрунтовых ограждений. Преимуществами применения аппаратурного уомплекса АПЗ-1 является: высокое разрешение по времени за счет очень короткого импульса упругой волны от электроискрового излучателя, возможность решать сложные задачи в условиях мешающих факторов, многофункциональность (контроль состояния грунтов, бетонных, ледогрунтовых ограждений и свай) и надежность. Особенности эксплуатации: выполнение спуско-подъемных операций вручную, обсуживающий персонал – 2-3 чел (оператор и 1-2 временных рабочих для осуществления спуско-подъема скважинных приборов).

Дальность акустического просвечивания (прозвучивания) по рыхлым грунтам (пескам, супесям) составляет не менее 20 м, по скальным грунтам (гранитам) - достигает 150 м. Глубина зондирования по скальным грунтам и бетонам - до 50 м. Разрешающая способность при межскважинном акустическом просвечивании грунтов на базе 10 м + 0,5 м. Погрешность определения длины сваи методом сейсмоакустического зондирования 5-10%.

Метрологическое обеспечение. Аппаратурный комплекс АПЗ-1 калибруется Всероссийским НИИ метрологии им. Д.И.Менделеева и имеет сертификат калибровки средства измерения. Основная относительная погрешность измерения АПЗ-1: времени +3 %; виброускорения +10 %; частоты колебаний +2 %.

Рис.11. Контроль сплошности ледогрунтового ограждения аппаратурным комплексом АПЗ-1

Выполнение межскважинного акустического просвечивания

Общий вид одного из участка работ и размещение аппаратурного комплекса АПЗ-1 при контроле сплошности ледогрунтового ограждения показаны на рис.11. Наземные приборы аппаратурного комплекса на время проведения измерений, как правило, располагаются в салоне автомашины Нива-Шевролет. Расстояния между точками излучения и приема определяются по погоризонтным планам.

Импульс упругой волны, прошедший межскважинное пространство, регистрируется на жесткий диск персонального компьютера комплекса программно-аппаратных средств КПАС аппаратуры АПЗ-1. Измерение параметров импульса упругой волны (времени распространения, амплитуды и спектра) производится в программе цифровой обработки сигналов WinПОС.

По результатам измерений по каждой паре скважин строится график скорость упругой волны - глубина (рис.11), определяется сплошность и опасные зоны ледогрунтвого ограждения. Заказчику передается заключение о состоянии ледогрунтового ограждения.

Рис.11. График изменения скорости продольной упругой волны по разрезу шахтного ствола на объекте “Строительство Дюкера г.Кронштадт” в 2010г. до (1) и после (2) замораживания грунтов

Производственный опыт

Наиболее запомнившимися для автора объектами в Санкт-Петербурге являются ледогрунтоцементное ограждение наклонного хода станции метро Звенигородская (ул.Звенигородская, ледогрунтовые ограждения ствола №5.2 (Кушелевская дорога) Резервного коллектора в районе площади Мужества и аварийное ограждение ствола №403 (Васильевский остров).

Ледо-грунтоцементное ограждение наклонного хода станции Звенигородская Санкт-Петерубргского метрополитена запомнилось как наиболее сложный объект из-за сочетания комплекса неблагоприятных факторов (напорный водоносный горизонт в нижней части геологического разреза, измененные струйной цементацией грунты, , организация работ) и тем, чего не должно происходить при реализации сложных проектов. После этого объекта, автор уже не делает выводов о сплошности ледогрунтового ограждения без учета организационных и производственных факторов, влияющих на состояние ограждения при проходке.

Ледогрунтовое ограждение ствола шахты №5.2 Резервного коллектора в районе площади Мужества запомнилось необходимостью принятия быстрого решения. Особенностью геологического разреза ствола шахты 5.2, как и всего района площади Мужества, была большая мощность текучих грунтов с плывунными свойствами. При первичном цикле МАП до замораживания параметры импульса упругих волн указывали на залегание в контуре ограждения классических плывунов (текучих супесей). Мощность прослоя плывунов составляла более 25 м. Существовал опасный фактор в виде высокого горного давления текучих водонасыщенных грунтов, которые при недостаточно прочном ограждении неминуемо прорвались бы внутрь выработки. В процессе заключительного цикла МАП, после завершения периода активного замораживания, уже на первой паре скважин были зафиксированы относительно низкие скорости упругих волн, что было явным признаком недостаточной прочности ледогрунтовых структур в контуре ограждения. Учитывая риски прорыва ЛГО при проходке и наличие в непосредственной близости уже аварийного ствола №5.1, автор прекратил работы и уехал с объекта. На следующий день пришлось выслушать грозные речи о причинах прекращения работ в тот момент, когда надо начинать проходку. Но все-таки, здравый смысл возобладал, и руководство ООО "СТИС" приняло решение перенести срок начала проходческих работ на 7 дней и уменьшить температуру холоносителя (рассола), поступающего от холодильной установки. Повторное межскважинное акустическое просвечивание, выполненное через 6 дней, зафиксировало резкое увеличение скоростей упругих волн, что указывало на набор прочности ледогрунтовыми структурами в контуре ледогрунтового ограждения. Хотя проходка ствола №5.2 прошла без осложнений, все равно было отмечено нетипично малое распространение ледогрунта к центру выработки. По мнению автора, прошли "на грани фола".

Ледогрунтовое ограждение аварийного ствола №403 (Васильевский остров) было проблемным из-за состояния грунтов, прилегающих к обделке и вероятного наличия погребенного строительного мусора. Приходилось сдерживать Заказчика от начала ремонтных работ (откачки грунтовых вод из ствола) до формирования устойчивых ледогрунтовых структур в зоне вывала обделки.

Заключение

Контроль состояния ледогрунтовых ограждений, по мнению автора, может быть обеспечен только комплексом измерений в составе:

а) Измерений температуры грунта в термометрических скважинах (колонках), пробуренных на проектных границах ледогрунтового ограждения.

б) Межскважинного прозвучивания (МАП) ледогрунтового ограждения между замораживающими (наблюдательными) колонками;

в) Гидрогеологических наблюдений (контроля уровня грунтовых вод в гидрогеологических скважинах, пробуренных внутри и вне контура ледогрунтового ограждения).

Список использованных источников

1. Агроскин И.И., Дмитриев Г.Т., Пикалов Ф.И. Гидравлика. М., Энергия, 1964

2. Савич А.И., Коптев В.И., Никитин В.Н., Ященко З.Г.Сейсмоакустические методы изучения массивов скальных пород. М., Недра, 1969

3. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. М., Изд-во Иностранной литеры, 1957

4. Комаров В.А., Попов А.А., Шатров Б.Б. и др. Скважинная рудная геофизика. Л., Недра, 1971.

Вверх

Информация для связи:

E-mail: arhipov8@mail.ru

Telephone: +7(911)1582796

Internet: www.geodiagnostics.ru

Полное или частичное копирование материалов разрешено только при обязательном указании автора и прямой гиперссылки на сайт www.geodiagnostics.ru