Геофизические изыскания в условиях мегаполиса

УДК 550.8:911.375 А.З. Вартанов

ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИЗЫСКАНИЯ В УСЛОВИЯХ МЕГАПОЛИСА

Представлен спектр геофизических работ проводившихся в условиях мегаполиса в 2008-2010 годах. Представлены примеры результатов работ, дан анализ основных проблем, с которыми пришлось столкнуться в процессе изысканий.

Ключевые слова: неразрушающий контроль, геофизика, мегаполис, спектр задач, георадиолокация, сейсморазведка, электроразведка, основные проблемы..

Геофизические изыскания представляют собой методы изучения массивов горных пород с помощью различных физических полей. Так изучение особенностей распространения низкочастотного электромагнитного поля (десятки - сотни, в редких случаях тысячи мегагерц) в геосреде положены в основу метода георадиолокации. Существуют методы (зондирование становлением поля) где используются не периодический сигнал, а единственный его фронт (на антенну, называемой петлёй подаётся единственная ступенька, обычно это выключение напряжения). Изучение распространения упругих колебаний в массиве положено в основу методов сейсморазведки, т.е. речь идёт об исследовании массива пород с помощью поля механических напряжений. Изучение пространственного распространения электрического сопротивления пород даёт возможность изучать массив горных пород методами электроразведки.

В последние десятилетия геофизика активно стала внедряться в практику инженерных работ мегаполисов. На стадии подготовки площадки под строительство зданий и сооружений геофизические методы позволяют получить оценку карстово-суффозион-ной опас-

ности, уточнить геологический разрез между скважинами, уточнить гидрогеологическую обстановку, дать оценки прочностных свойств пород. В процессе строительства геофизические изыскания позволяют контролировать поведение массива горных пород. В частности это может быть контроль геометрических параметров и целостности строительных конструкций (например, фундаментных плит), контроль их контакта с массивом, контроль изменения гидрогеологической обстановки. Отдельный вопрос составляет контроль целостности свай.

Геофизические изыскания также используются для оценки состояния массива пород в местах проходки коллекторов. Целью в данном случае является поиск областей разуплотнения (например, это могут быть засыпанные свалки или карстовые воронки) и включений на пути щита (крупные камни). Наиболее частыми здесь являются георадиолока-ционные изыскания. Некоторый еще не вполне оценённый потенциал здесь могут иметь исследования в контексте электроразведочной томографии.

Георадиолокационные изыскания также часто используют для оценки объёма иловых отложений городских водоёмов с целью планирования объёма работ по их очистке.

Методов геофизического исследования массива пород значительно больше, нежели приведено в начале этой статьи, однако наиболее широко распространены в рамках задач для мегаполиса георадиолокация, сейсморазведка и электроразведка.

При этом использование спектра методов важно с точки зрения, так называемого комплексирования. В этом случае используют группы методов для решения одной и той же задачи, что повышает достоверность получаемых результатов. В случае если несколько методов в одних и тех же локализациях обследуемых площадок позволяют предполагать наличие искомых объектов (опасные зоны, локальные объекты, отметки грунтовых вод) достоверность полученного результата увеличивается. Если же методы разнятся по результату (например, опасные зоны существенно расходятся геометрически, либо один из методов вообще не показывает опасной зоны) достоверность выявленной опасной зоны понижается.

Основанием для подобного подхода является тот факт, что для различных методов оказываются важными различные помеховые влияния. А так же та особенность, что различные методы чувствительны к различным аспектам выявляемых объектов и процессов, идущих в массиве пород. Так, например, карстообразование характеризуется целым спектром физических проявлений (механических, геоэлектрических и пр.) и различные методы будут чувствительны к различным аспектам лоцируемого процесса. Сейсморазведочные плюс гео-радиолокационные изыскания являются наиболее оптимальным комплексом для подобной задачи, поскольку сейсморазведка ориентируется на геомеханические

аспекты проявления карстообразования (скорости волн и отражающие способности границ зависят от таких параметров как деформационные характеристики пород и их плотность), а георадиолокация на специфику распространения радиоволн в геосреде (геоэлектрические проявления).

Г лавной проблемой георадиолокации здесь обычно является малость глубин, с которых можно получить сигналы, что еще серьёзно осложняется спецификой геологического строе-ния Москвы и Подмосковья (глины, водоупоры являются серьёзным барьером для электромагнитного излучения), а в случае работ на объектах строительства осложняется присутствием решёток армирования. Однако частичным решением этой проблемы может быть использование низкочастотных георадаров (25 МГц).

В течение 2008-2010 гг. «Институт высоких технологий освоения и эксплуатации подземного пространства» провёл серию работ по контролю различных объектов городского строительства.

В 2008-2009-м году был проведён ряд работ по оценке объёма иловых отложений в прудах г. Москвы, предназначенных для очистительных работ. Обследование производилось с помощью георадара «ОКО-2» (производство ООО «Логические системы») с антенным блоком АБ250. Антенна устанавливалась на плавсредство и перемещалась от берега к берегу вдоль прямой линии (профиля). Контроль пройденного пути производился с помощью нитки (одометром считались обороты катушки). Одной из методических проблем стала сложность выдерживания прямолинейности профиля.

На рис. 1 дан пример типичной радаро-граммы. Отражение от границы «вода -ил» и отражение от границы

Рис. 2. Интерпретированная радарограмма, полученная в процессе опережающего георадио-локационного сканирования массива при строительстве коллектора от подстанции Марфино

«ил - дно пруда» дают две оси синфаз-ности. Иногда эти границы разделены на радарограмме иногда смешиваются, однако волновые пакеты этих отражений достаточно существенно отличаются по амплитуде. Этот особенно хорошо видно при кодировке амплитуд полноцветной шкалой. Описываемые оси синфаз-ности указаны на рис. 1.

С помощью программы Surfer строились поверхности дна пруда и границы илов (использовался интерполятор Крите). Далее с помощью Surfer вычислялся объем между поверхностями.

Примером георадиолокационных работ для оценки состояния массива горных пород до проходки коллектора может выступить обследование грунтового массива в районе подстанции Марфино. В список задач геоконтроля входили оценка состава и однородности насыпных грунтов, а также выделение возможных объектов. Обследование было выполнено георадаром «ОКО-2» с антенными блоками АБ-250 с частотой 250

МГц (глубинность до 8 м., разрешающая способность 0,25 м.) и АБ90 (глубинность до 16 м., разрешающая способность 0,5 м.).

На рис. 2 представлены типичные радарограммы для антенн АБ250 и АБ90. В реальных условиях (увлажнённые грунты, водоупоры) обычно глубинность оказывается меньше, чем заявленное производителем её максимальное значение. По радарограммам рис. 2 можно заметить, что чем ниже частота излучения, тем с большей глубины можно получить сигнал (масштабы глубины идентичны на обоих радарограм-мах рис.2). Однако при этом с понижением частоты теряется разрешающая способность. Часто при этом объекты, не проходящие ограничение по разрешающей способности в одном сечении видны за счёт протяженности в другом. Особенно хорошо видны кабели и металлические объекты, которые на рада-рограммах дают так называемые «звенящие» записи.

Так, например, в процессе данной работы удалось обнаружить электрические кабели, различные локальные неметаллические объекты. Была обнаружена железобетонная плита на глубине 2,5 м. от поверхности.

Основной проблемой выявленной в процессе работ стала неравномерность распределения электрических свойств массива. Главной причиной неравномерности наиболее часто является увлажнение массива - вода создаёт условия для отражения электромагнитной волны, при этом распределение зон увлажнения далеко не всегда совпадает с границами геологических слоёв и объектами которые необходимо обнаружить в массиве. Дополнительно зона увлажнения создаёт низкочастотные помехи и «звоны» (слабозатухающие низкочастотные помехи повышенной амплитуды), подавляющие полезный сигнал, приходящий с глубины. Еще один эффект связан с тем что зона увлажнения может создать градиент электрических свойств в породном массиве, а поскольку для отражения волны необходим контраст электрических свойств, искомая граница может быть маскирована за счёт зоны увлажнения [1, 2].

Примером применения сейсморазведки для оценки массива горных пород при строительстве коллекторов могут послужить геофизические работы при устройстве водосточного коллектора в районе улицы Херсонская. Использовалась 24-х канальная сейсмостанция

«Лакколит 24М» (производство ООО «Логические системы»). Работа велась по методике МОВ ОГТ (метод отражённых волн в модификации общей глубинной точки). На рис. 3 представлен полученный в результате обработки сейсмограмм разрез. В результате работ было подтверждено предположение об отсутствии необнаруженных между скважинами объектов. Результаты были подтверждены бурением.

По результатам работ можно сказать, что достаточно часто проблемами для сейсмики являются помеховые факторы (транспорт, пешеходы вблизи от сейсмоприёмников, движения поездов в тоннелях метро) и плотная застройка, приводящая к невозможности построить достаточно длинный профиль [3]. Проблему помеховых факторов при этом можно решить применением методики накопления (используется до 10 возбуждений на пункт удара).

Интересный опыт был получен по обследованию сооружения типа «стена в грунте», сооруженной при реконструкции Большого театра. Необходимо было произвести контроль геометрических параметров (глубина заложения стены). Георадиолокационные изыскания в данном случае были невозможны: стена содержала сетки армирования, нижняя граница находилась слишком глубоко (более 20 м.). Поэтому изыскания производились с помощью сейсмоакустических методов.

Рис. 3. Геологический разрез, построенный по сейсморазведочным данными

Основу сейсмоакустических исследований составили корреляционный метод преломленных волн (КМПВ), использованный для получения скоростной модели среды, и метод отражённых волн в модификации общей глубинной точки (МОВ ОГТ), использованный для получения сейсмического разреза. На рис. 4 представлен один из полученных в результате обработки глубинных разрезов ОГТ. Также отображена нижняя граница стены.

Анализ показал, что исследуемая стена включает в себя большое количество неоднородностей, создающих множественные амплитудные максимумы, проявляющиеся на трассах разреза ОГТ. Однако после отметки 18,0-20,0 мс (на глубинном разрезе это значения 22,5-24,5 м.), максимумов резко спадает. Это свидетельствует об однородном строении пород под границей "стена - вмещающая порода”, а также о расположении искомой границы стены именно на этих глу-

бинах. Другими аргументами в пользу идентификации границы "стена - вмещающая порода" на временах 18,020,0 мс. служат: хорошо прослеживающаяся ось синфаз-ности на этих глубинах; падение скоростей поперечных волн с 2500 м/с (характерное значение для прочных железобетонов) до 700-1500 м/с (известняки разной степени сохранности и коренные глины).

Сейсмоакустические сигналы также активно используются при контроле свайных оснований. Опыт в этой сфере набирался на объекте «Москва - Сити» в 2006-2007 годах.

Аппаратура фактически представляет собой двухканальную сейсмостанцию (это так называемые ИДС - измерители длинны свай). Возбуждается импульс в свае (ударное возбуждение) и ожидается отклик от её конца. В случае если сваю пересекает трещина, резкое изменение акустической жёсткости сформирует отражённую волну, и на приёмник сначала придёт отражение от трещины, а потом (более ослабленным, чем в ненарушенной свае) придёт отклик от конца сваи. Также с помощью этого метода можно контролировать не только трещины в свае, но и сужения\ уширения тела сваи (изменения сечения тела сваи влияют на его акустическую жёсткость, т.е. точка сужения\ уширения будет формировать отклик).

Рис. 4. Глубинный разрез ОГТ№2 (НГС - нижняя

Практика показала, что особое значение в этих работах имеет не только анализ динамических и кинематических особенностей принимаемых сигналов, но и спектральный анализ регистрируемых сигналов. С его помощью становится возможным контролировать контакт сваи с массивом грунта.

Методики исследования строительных конструкций и свай до сих пор полностью не исчерпаны. Так, например, спектральный анализ позволяет вести также и контроль геометрических особенностей свай и конструкций, на основании выявления резонансных особенностей принимаемых сигналов (так называемый толщинный резонанс) [4]. В ряде случаев эта методика оказывается более эффективной, чем анализ времён прихода откликов.

Также наработан опыт по ультразвуковому контролю качества цементации свайных оснований. Использовалась методика ультразвукового каротажа. До цементации сваи обустраивалась контрольная скважина. Из неё выполнен ка-

+ до цементации Ш после цементации

Рис. 5. Каротажная диаграмма ротаж до глубин 20-26 м. с шагом 0,1 м. до и после цементации. В результате стандартной обработки данных [5] были получены значения скоростей продольных волн, которые составили 2500-5500 м/с. Участки со скоростями продольных волн более 4500 м/с были отнесены к относительно сохранным известнякам, мощность этих участков составляла 0,30,4 м. На основании скоростей упругих волн и принимаемой плотности известняков 2,2 т/м3 было рассчитано значение динамического модуля упругости, меняющееся в широких пределах 1630*103 МПа. Для участков относительно сохранных известняков, принимая плотность 2,4 т/м3, значение динамического модуля упругости находилось в пределах 40-50* 103 МПа.

На рис. 5 представлена одна из каротажных диаграмм. В данном случае можно сказать, что цементация прошла

не достаточно эффективно: скорости упругих волн до и после цементации существенно не изменились.

Таким образом, можно сказать, что, во-первых, геофизические методы находят широкое применения в деле контроля в строительстве. Во-вторых, пред-

ставляют собой обширный список различных методов и подходов, что фактически и позволяет решать широкий спектр задач. В-третьих, обладает больших количеством особенностей, тонкостей и деталей, требующих участия опытных и квалифицированных кадров.

1. Изюмов С.В., Дручинин С.В., Вознесенский А.С. Теория и методы георадиолокации: учебное пособие - М.: Горная книга: Изд-во МГГУ, 2008. 196 с.

2. Владов М.Л., Старовойтов А.В. Введение в георадиолокацию - М.: изд-во МГУ, 2004. 153 с.

3. Мухаметшин А.М., Ведерников А.С., Зуев П.И. Результаты крупномасштабных сейсмометрических исследований в стеснённых условиях урбанизированной территории // ГИАБ. 2008 №4. С. 66-70.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. 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 // ГИАБ. 2010 №6.

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

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ --------------------------------------------------------

Вартанов Александр Зараирович - Председатель Совета Директоров ЗАО «Управляющая Компания «Межрегиональный Союз Строителей», научный руководитель «Института высоких технологий освоения и эксплуатации подземного пространства», кандидат технических наук, Office@mssholding.ru