АКУСТИЧЕСКИЙ СПОСОБ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА И ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ЛЕДОПОРОДНЫХ ОГРАЖДЕНИЙ ПРИ СООРУЖЕНИИ ПОДЗЕМНЫХ ОБЪЕКТОВ
ACOUSTIC METHOD OF CONTROLLING QUALITY AND PROCESS OF GENERATING ICE WALLS DURING CONSTRUCTION OF UNDERGROUND OBJECTS

Изобретение относится к технике неразрушающего контроля качества геологической среды и находящихся в ней объектов.
Известен способ акустического контроля качества и процесса формирования ледопородных ограждений, заключающийся в локальном излучении акустической волны из замораживающих скважин, окружающих контролируемый объект, приеме прошедших через окружающую среду волн в смежных скважинах, расположенных вокруг объекта, вертикальном вниз сканировании зоны приема, определении момента амплитудного максимума принятой продольной волны и его величины, определении диаграммы направленности зоны излучения путем прямого и последующего обратного реверса сканирования зоны приема со сравнением амплитуд принятых сигналов с их максимумом, аналогичном определении диаграммы направленности зоны приема путем сканирования зоны излучения при неподвижной зоне приема, определении эпюр диаграмм направленности зон излучения и приема по глубине скважин и во времени, определении наличия и величин вторых (боковых) диаграмм направленности зон излучения и приема, обусловленных появлением поперечной волны, при указанном реверсивном по вертикали сканировании зон излучения и приема, регестрации эпюр вторых диаграмм направленности по глубине скважин и во времени, определении по эпюрам отношения углов раскрытия вторых диаграмм к первым и по их величине судят о появлении и расположении по вертикали зон смыкания ледопородных ограждений.
Недостатком данного способа является трудность его реализации из-за большого числа и сложности входящих в него операций и то, что точность результатов такого контроля зависит от корректности определения диаграммы направленности локального акустического излучателя, которая во многом определяется величиной скорости распространения акустической волны в конкретной геосреде. При этом даже на одном участке геосреды эта величина может значительно различаться из-за неоднородностей его состава и строения, что существенно снижает точность контроля по данному способу (Авторское свидетельство СССР №542136, кл. G01N 29/04, опубл. 05.01.1977, бюл. №1).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является акустический способ контроля качества ледопородных ограждений при сооружении подземных объектов, заключающийся в том, что в замораживающих скважинах по их глубине размещают приемные акустические преобразователи, с помощью которых принимают акустические сигналы из контролируемой области массива, по измеренным параметрам которых судят о качестве ледопородного ограждения и процессе его формирования (Авторское свидетельство СССР №476502, кл. G01N 29/04, опубл. 05.07.1975, бюл. №25).
Недостатком известного способа является сильная зависимость точности и надежности результатов контроля от взаимной ориентации приемных преобразователей и источника акустических сигналов.
Отмеченный недостаток обусловлен тем, что известный способ позволяет достаточно точно оценить текущее качество ледопородного ограждения только в случае соблюдения строго определенной ориентации приемных преобразователей, расположенных в одной скважине, относительно локального источника акустической волны, помещаемого в соседнюю скважину. Эта операция не всегда может быть реализована с приемлемой точностью из-за искривлений указанных скважин и других их геометрических отличий, не позволяющих обеспечить требуемое взаимное положение излучающего и приемного преобразователей даже при полной согласованности действий всех исполнителей.
В настоящей заявке решается задача разработки акустического способа контроля качества и процесса формирования ледопородных ограждений при сооружении подземных объектов, повышающего надежность и точность результатов соответствующего контроля путем исключения влияния на них взаимной ориентации приемных преобразователей и источника акустических сигналов.
<mrow><mi>M</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><msub><mo>∑</mo><mi>n</mi></msub></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>∑</mo><mn>0</mn></mrow></msub></mrow>
<mrow><mi>M</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><msub><mo>∑</mo><mi>n</mi></msub></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>∑</mo><mn>0</mn></mrow></msub></mrow>
<mrow><mi>M</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><msub><mo>∑</mo><mi>n</mi></msub></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Для решения поставленной задачи в акустическом способе контроля качества и процесса формирования ледопородных ограждений при сооружении подземных объектов, заключающемся в том, что в замораживающих скважинах по их глубине размещают приемные акустические преобразователи, с помощью которых принимают акустические сигналы из контролируемой области массива, по измеренным параметрам этих сигналов судят о качестве ледопородного ограждения и процессе его формирования, в качестве принимаемых сигналов используют возникающие в массиве импульсы акустической эмиссии, определяют ее среднюю активность
за каждый из последовательных, соизмеримых по продолжительности интервалов времени в процессе замораживания геосреды, до начала которого определяют характерный для нее уровень активности акустической эмиссии
в исходном состоянии, при этом о формировании качественного ледопородного ограждения судят, по не менее чем пятикратному снижению средней активности акустической эмиссии
относительно исходного уровня
и ее стабилизации во времени в ходе замораживания, а о наличии и расположении зон несмыкания ледопородного ограждения судят по превышению значениями средней активности акустической эмиссии
на некотором участке геосреды уровня, характерного для качественно замороженных участков той же геосреды.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности и точности результатов контроля качества ледопородного ограждения.
Технический результат достигается за счет того, что предложенный акустический способ контроля качества и процесса формирования ледопородных ограждений при сооружении подземных объектов позволяет снизить влияние точности размещения приемных преобразователей на погрешность контроля. Фактически эти преобразователи без вреда для достоверности результатов контроля могут быть размещены в любой точке вблизи ледопородного ограждения, т.к. источником информативного сигнала является сам массив и нет необходимости выверять местоположение преобразователей относительно локального искусственного источника излучения. Кроме того, данный способ допускает одновременную оценку состояния всего ледопородного ограждения в целом и в режиме мониторинга, тем самым позволяя обнаруживать опасные переходные процессы (оттаивание, карстообразование и др. процессы разуплотнения) на начальных стадиях.
Предложенный способ базируется на установленных авторами экспериментально закономерностях акустической эмиссии при замораживании и последующем оттаивании образцов обводненных грунтов, соответствующих по своему составу и свойствам (в т.ч. влажности) грунтам, характерным для объектов подземного строительства г. Москва. Суть этих закономерностей заключается в зависимости величины средней за определенный период времени активности акустической эмиссии образцов грунта от наличия в них не замерзшей жидкости. Чем ее больше, тем интенсивнее идут гидродинамические процессы, например перетоки, и, соответственно, тем выше уровень активности акустической эмиссии.
Способ акустического контроля качества и процесса формирования ледопородных ограждений иллюстрируется фиг. 1 и 2.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mo>∑</mo></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mo>∑</mo></msub></mrow>
На фиг. 1 приведено в качестве примера характерное экспериментально полученное временное распределение 1 активности
АЭ в функции от динамики температур 2 образца грунта, состоящего из песчано-суглинистой смеси, влажностью около 70,0%. Масса твердой фазы каждого образца составляла 3,5 кг. Из фиг. 1 следует, что при наличии ледопородного ограждения (область А) уровень
значительно ниже, чем при его формировании (область Б) или разрушении оттаиванием (область В).
<mrow><mi>M</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><msub><mo>∑</mo><mi>n</mi></msub></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Фиг. 2 иллюстрирует процедуру контроля и показывает качественный вид зависимости 8 и 9
от глубины h, получаемой на гирляндах акустических преобразователей 6 и 7, при контроле с их помощью замораживаемого участка геосреды 5, содержащего зону 10 несмыкания ледопородного ограждения.
<mrow><mi>M</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><msub><mo>∑</mo><mi>n</mi></msub></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>M</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><msub><mo>∑</mo><mi>n</mi></msub></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>∑</mo><mn>0</mn></mrow></msub></mrow>
Репрезентативность характера приведенных на фиг. 1 и 2 зависимостей подтверждена на представительной выборке образцов грунтов различной влажности и состава, каждый из которых охлаждался до минус 34°C, выдерживался на этой температуре в течение не менее 90 минут и затем естественным образом оттаивался вплоть до разрушения ледопородной матрицы. Параллельно с температурным воздействием велась регистрация возникающих при этом сигналов акустической эмиссии. С целью подтверждения текущего состояния ледопородной матрицы кроме используемого для акустических измерений основного образца, в морозильную камеру помещалось еще три аналогичных образца. Один из них вынимался из морозильной камеры на каждой из последовательных температурных областей (охлаждение - область Б, полная заморозка - область А и оттаивание - область В, см. фиг. 1) эксперимента и распиливался для прямого контроля текущего состояния ледопородной матрицы. Так как все образцы были выполнены и испытаны по одной технологии, в одних и тех же условиях и в одно и то же время, предполагается, что эти результаты разрушающего контроля пригодны для описания состояния ледопородного ограждения в основном образце. Для каждой из указанных последовательных температурных областей производился расчет средней активности акустической эмиссии
, показавший, что при формировании единой ледопородной матрицы, представляющей собой модель ледопородного ограждения, значение
снижается не менее чем в 5 раз по сравнению со значением уровня активности акустической эмиссии
до начала замораживания образца. Конкретная величина снижения зависит от содержания влаги в образце.
Акустический способ контроля качества и процесса формирования ледопородных ограждений при сооружении подземных объектов реализуют следующим образом (см. фиг. 2).
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>∑</mo><mn>0</mn></mrow></msub></mrow>
<mrow><mi>M</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><msub><mo>∑</mo><mi>n</mi></msub></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>M</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><msub><mo>∑</mo><mi>n</mi></msub></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>M</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><msub><mo>∑</mo><mi>n</mi></msub></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>∑</mo><mn>0</mn></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mo>∑</mo></msub></mrow>
После устройства на участке геосреды 3 замораживающих скважинах 4 и 5, но до начала создания ледопородного ограждения, в этих скважинах по их глубине размещают гирлянды акустических преобразователей 6 и 7, с шагом между этими преобразователями порядка 0,8-1,0 м. Каждым из этих преобразователей регистрируют генерируемую идущими в геосреде гидродинамическими процессами акустическую эмиссию, за период не менее 30 мин. до начала замораживания определяют уровень активности акустической эмиссии
геосреды в исходном состоянии. После этого, не прекращая регистрации акустической эмиссии, включают морозильное оборудование. Через последовательные и сопоставимые по продолжительности периоды времени рассчитывают среднюю за соответствующий период активность акустической эмиссии
, где n - порядковый номер периода. Строят зависимости
от глубины h, качественный вид которых на фиг. 2 иллюстрируется зависимостями 8 и 9. По не менее чем пятикратному снижению значений
относительно
и их стабилизации на этом уровне в течение, не менее чем 180 мин., судят о создании качественного ледопородного ограждения на участке геосреды, где были зарегистрированы соответствующие значения
. В свою очередь, наличие и местоположение зоны 10 несмыкания ледопородного ограждения определяют по превышению значениями средней активности акустической эмиссии на некотором участке геосреды уровня, характерного для качественно замороженных участков той же геосреды (см. фиг. 2). На основе этого дают оценку процесса формирования и качества ледопородного ограждения. Зная координаты датчиков, показания которых удовлетворяют указанным условиям, строят карту наличия и расположения зон смыкания ледопородного ограждения.
Таким образом, предложенный акустический способ контроля качества и процесса формирования ледопородных ограждений при сооружении подземных объектов за счет исключения влияния точности размещения приемных преобразователей относительно положения источника информативного акустического сигнала на результаты контроля, обеспечивает повышение точности и надежности результатов последнего.