СПОСОБ КОМПЛЕКСНОГО ОБСЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
METHOD FOR COMPREHENSIVE ANALYSIS OF RAILWAY SUBGRADE

Изобретение относится к области обследования железных, автомобильных дорог и трасс линейных сооружений, в частности к оцениванию состояния объектов земляного полотна и балластного слоя, а также оснований трасс сооружений совокупностью геофизических - георадиолокация и инженерно-геологических методов и представления полученных данных в виде геологического разреза, нанесенного на утрированный продольный профиль пути.
Известен метод подповерхностной радиолокации, описанный в статье Изюмова С.В. и др. - Обследование земляного полотна георадаром «Геоскоп». - Путь и путевое хозяйство, 2006 г., №6. - с.36. В течение нескольких лет ООО «Геологоразведка» и ФГУ «61 НИИИ (ЖДВ)» МО РФ занимались разработкой системы мониторинга полотна железной дороги (СМПЖД) с целью поиска мин и взрывоопасных предметов. Созданная система позволила решить не только чисто военные задачи, но и использовать ее для обследования железнодорожного полотна, в том числе с целью определения толщины и рельефа основных слоев балластных материалов и грунтов, уточнения местоположения корыт, мешков и т.д., выявления водяных линз или мест локального переувлажнения грунта. В настоящей статье рассматриваются некоторые примеры обследования земляного полотна при помощи георадиолокационного комплекса «Геоскоп». Система мониторинга полотна железной дороги включает электромеханическую тележку, выполненную из диэлектрика, и узлы георадара «Геоскоп». Работа георадаров данной серии основана на излучении геомагнитного видеоимпульса с широким спектром и регистрации отраженных от неоднородностей видеоимпульсов. Для приема и передачи сигналов используются отдельные антенны.
Результаты обработки таких сигналов позволяют построить результаты изображения отражающих границ различных неоднородностей среды зондирования, в том числе слоев балласта и земляного полотна. Программа обработки строит изображение в виде вертикального разреза грунта.
Недостатком данного метода является то, что геофизические данные не подтверждаются контрольным бурением, а буровые скважины, в свою очередь, располагают только по данным визуального осмотра, что ведет к снижению эффективности обследования земляного полотна, а порой и к увеличению затрат времени и средств как на полевой период, так и на камеральную обработку материалов. Материалы представляются в виде отдельных инженерно-геологических разрезов или радарограмм, что создает неудобства как проектировщикам, так и инженерам организаций, выполняющим в дальнейшем работы по проектам.
Известен многоканальный георадарный комплекс, представленный в статье В.И.Колесников, В.Б.Воробьев, В.А.Явна, А.Б.Киреевнин, В.В.Помозов, А.В.Дудник. - Георадиолокационная диагностика пути. Путь и путевое хозяйство. 2007, №3, с.19-21.
Комплекс предназначен для проведения диагностики объектов земляного полотна железнодорожного пути. Обследование по оси и обочинам пути проводится одновременно тремя антеннами, работающими в непрерывном режиме. Перемещение радара вдоль профиля осуществляется дрезиной MПТ-4 со скоростью 70 км/час. Отличительной особенностью комплекса является возможность приема сигналов в антенных блоках не только от собственной передающей антенны, но и от соседней передающей антенны. Возможность одновременного приема сигналов от одного передатчика на два разнесенных приемника позволяет определять скоростные характеристики слоев для более точного определения глубин.
Недостатки: результатом использования данного метода является радарограмма, которая сама по себе не несет практически никакой информации инженеру-железнодорожнику, в то время как утрированный продольный профиль пути знаком каждому дорожному мастеру и работать с геологическими данными, вынесенными на привычную для железнодорожников основу, намного удобнее, чем с отдельными геологическими разрезами или радарограммами.
Известен способ бесконтактного обследования профиля щебеночного балластного основания в описании заявки к изобретению №2250283, МПК 7 Е01В 35/00, В61К 9/08 от 2003.11.10, опубл.2005.04.20, проходящего перпендикулярно продольному направлению рельсового пути, отличающийся тем, что обследование происходит параллельно определению дефектов по уровню пути и при определении их местоположения и в зависимости от зарегистрированных дефектов по уровню и полученного соответственно для этого профиля балластного основания вычисляют количество щебня, необходимое для поднятия пути на заданный уровень и для его равномерной балластировки.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для определения количества щебня, необходимого для балластного основания, на заданный профиль поперечного сечения накладывают зарегистрированный профиль балластного основания.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что необходимое количество щебня вычисляют, а затем перезаписывают информацию, содержащуюся в запоминающем устройстве, отдельно для левой или правой половин пути.
Недостатки: сведения не отражают истинное состояние земляного полотна, обследуется только контур балластной призмы.
Наиболее близким из известных аналогов является способ обследования земляного полотна, описанный в статье Тренина В.В., Ершова Е.В. - Использование георадиолокации земляного полотна. - Путь и путевое хозяйство. 2007, №8, с.29. На сложных участках для получения более объективной непрерывной информации о строении разреза применяли георадиолокационное обследование. Для этого используют георадар «Зонд-12е», оснащенный экранированной антенной с частотой 750 МГц, работающей в отрыве от поверхности зондируемой среды. Радиолокационное обследование выполняют в непрерывном режиме. Антенну переносят вдоль оси пути или по бровке земляного полотна. По мере передвижения антенны сигнал в виде радиолокационного профиля отражается на экране ноутбука с установленным программным пакетом Prism-2, с помощью которого осуществляется все управление георадаром «Зонд-12е». Привязку к пикетам делают на радарограмме вручную маркерами. Кроме того ими же отмечают начало и конец выемок, болот, оси искусственных сооружений. Все это впоследствии помогает интерпретировать георадарограмму. После окончания зондирования определенного участка пути профиль записывают на жесткий диск ноутбука. На следующем этапе участки профиля с полезным сигналом, привязанные к пикетажу, соотносят с данными бурения опорных скважин, намечая при этом границы слоев грунта. В итоге получают непрерывный геологический разрез.
Недостатками всех вышеупомянутых аналогов является то, что каждый метод применяется отдельно, независимо друг от друга - геофизические данные не подтверждаются контрольным бурением, а буровые скважины, в свою очередь, располагают только по данным визуального осмотра, что ведет к снижению эффективности обследования земляного полотна, а порой и к увеличению затрат времени и средств как на полевой период, так и на камеральную обработку материалов. Материалы представляются в виде отдельных инженерно-геологических разрезов или радарограмм, что создает неудобства как проектировщикам, так и инженерам организаций, выполняющим в дальнейшем работы по проектам.
Техническим результатом заявляемого способа является повышение эффективности обследования земляного полотна, снижение затрат на ремонтные работы и более экономное расходование строительных материалов.
Технический результат данного изобретения достигается за счет того, что способ комплексного обследования земляного полотна железных дорог, включающий бесконтактное, георадиолокационное обследование, бурение скважин, регистрирование дефектов, анализ состояния по измеренным параметрам, вынос полученных данных на поперечный разрез земляного полотна, отличается тем, что обследование земляного полотна железной дороги проводится комплексно, последовательно с предварительной обработкой и анализом полученных материалов для выявления аномальных участков и назначения контрольных точек бурения и дополнительных георадиолакационных профилей, а бурение проводят не только в пределах выявленных аномальных зон, но и на каждом километре обследуемого участка. Бурение проводят с помощью ручного бурового комплекта по балластному слою с описанием загрязненности щебня, размера фракций и литологии, с описанием гранулометрического состава, влажности, плотности, консистенции грунтов, при этом результаты полученных измерений интерпретируют с целью выноса полученных данных на утрированный продольный профиль пути.
Георадиолокационное обследование проводится георадаром «ZOND-12E», профилирование производится по концам шпал и ведется в непрерывном режиме практически с любой плотностью зондирования, на стадии предварительной обработки георадиолокационных данных в полевых условиях выделяются границы раздела сред с различной диэлектрической проницаемостью, строится скоростная модель, дешифрируются выявленные аномальные зоны, по результатам обработки закладываются буровые скважины. Результаты полученных измерений интерпретируют с целью выноса полученных данных на утрированный продольный профиль пути. Повышение эффективности обследования земляного полотна достигается за счет того, что в отличие от аналогов в заявляемом изобретении структурные элементы земляного полотна: балластная призма, ядро насыпи, основание насыпи обследуются комплексом инженерно-геологических и геофизических методов в строгой последовательности, с выявлением изменений конфигурации основной площадки земляного полотна - балластное корыто, ложе, мешки, гнезда, другие, с определением загрязненности, мощности балласта и песчаной подушки, с описанием гранулометрического состава, влажности, плотности, консистенции грунтов. При таком комплексном обследовании получают данные о состоянии каждого структурного элемента земляного полотна и в целом об участке. Использование метода георадиолокации в комплексе с бурением позволяет, помимо литологического расчленения разреза, более точно определить скорость распространения электромагнитных волн в исследуемой среде, а следовательно, более точно выполнить пересчет из временного разреза в глубинный, получить информацию о конфигурации геолого-литологических слоев и структуре земляного полотна между скважинами, зафиксировать подробно все изменения конфигурации основной площадки земляного полотна - корыто, ложе, мешки, гнезда, др. Все вышеперечисленные сведения при использовании только одного метода георадиолокации получают с большими погрешностями.
Благодаря комплексному последовательному выполнению работ в данном способе повышается эффективность обследования земляного полотна, снижаются затраты на ремонтные работы и более экономно расходуются строительные материалы. Повышение эффективности обследования земляного полотна достигается за счет того, что в отличие от аналогов в заявляемом изобретении структурные элементы земляного полотна: балластная призма, ядро насыпи, основание насыпи обследуются последовательно, комплексно с выявлением изменений конфигурации основной площадки земляного полотна - корыто, ложе, мешки, гнезда, др. загрязненности, мощности балласта и песчаной подушки. Загрязненность балластной призмы и снижение ее фильтрационных возможностей, заиливание или выход из строя различных водоотводных сооружений в совокупности с другими факторами приводит к возникновению деформаций основной площадки земляного полотна, откосов насыпей и выемок, которые, в свою очередь, ведут к разрушению верхнего строения пути, что обуславливает необходимость постоянного контроля за состоянием земляного полотна. Использование метода георадиолокации в комплексе с бурением позволяет более точно определить скорость распространения электромагнитных волн в исследуемой среде, а следовательно, более точно рассчитать глубины залегания границ раздела сред с различной диэлектрической проницаемостью, дешифровать аномальные зоны, выявленные на стадии предварительной обработки георадиолокационных данных в полевых условиях, а также произвести послойное описание балластной призмы, необходимое для обоснования проектных решений по вырезке или очистке щебня. При использовании одного метода георадиолокации вышеперечисленные данные можно получить только с высокой погрешностью, а использование только одного бурения приводит, во-первых, к увеличению объемов бурения, во-вторых, к неточной корреляции геологических слоев.
Снижение затрат на полевые работы достигается за счет того, что буровые работы выполняются только после предварительной обработки материалов георадиолокации, что позволяет более эффективно определить места закладки буровых скважин и оконтурить локальные неоднородности земляного полотна, а также значительно сократить объемы буровых работ. После качественной и количественной интерпретации геофизических материалов и обработки данных бурения результаты этих двух методов выносятся на утрированный продольный профиль пути, что значительно увеличивает информативность данного профиля и отражает более полную картину состояния земляного полотна. Данная информация позволяет проектировщикам принимать более обоснованные решения по глубине подрезки щебня, замене или очистке балластного слоя, укладке и выбору типа разделительного слоя из нетканого материала и т.д., что, в свою очередь, приводит к более эффективному расходованию строительных материалов и снижению затрат на ремонтные работы.
В сравнении с аналогами данный комплекс включает ряд последовательно, комплексно выполняемых этапов обследования земляного полотна:
- визуальный осмотр;
- георадиолокационное обследование
- проходка шурфов и бурение скважин;
- анализ состояния по измеренным параметрам;
- вынос полученных данных на утрированный продольный профиль пути.
Визуальный осмотр является одним из способов обследования по качественным признакам, к которым относятся:
- трещины на откосах, обочинах, у концов шпал и т.п.
- наличие выплесков разжиженного балласта в межшпальные ящики;
- наличие пучинных горбов;
- наличие выпоров грунта в подошве откосов;
- искажение очертаний откосов насыпей и выемок;
- наклон опор контактной сети;
- наличие карстовых и суффозионных воронок на элементах земляного полотна;
- выход воды из тела земляного полотна или его основания и т.п.
По результатам визуального осмотра земляного полотна выявляются локальные деформирующиеся участки и выбирается оптимальный комплекс методов инструментальных измерений: георадиолокация и бурение.
Георадиолокационное обследование осуществляется бригадой, состоящей из инженера-геофизика, подсобного рабочего и двух сигналистов. В данном случае используется георадар «ZOND-12E». Георадиолокационное обследование производится комплексом аппаратурных и програмных средств. Метод георадиолокационного обследования основан на излучении в обследуемую среду электромагнитных волн, приеме, обработке и отображении электромагнитных волн, отразившихся от границ слоев грунта с различными электрофизическими свойствами - диэлектрическая проницаемость, проводимость, плотность и др. -, в виде радарограмм.
На фиг.1 показан фрагмент радарограммы, которая представляет собой вертикальный волновой профиль, по горизонтальной оси которого отложена координата X вдоль участка железнодорожного полотна - либо в метрах, либо в трассах; по вертикальной оси сверху вниз отложено либо время прохождения электромагнитной волны в среде -нс-, либо глубина в метрах, если произведен пересчет времени в глубину. В результате камеральной обработки по характеру волновой картины выделяют слои с различной диэлектрической проницаемостью. На данной фигуре выделены три слоя: балласт - в данном случае щебень, позиция 1; песчаная подушка и грунты ядра насыпи - в данном случае представленные песками, поз.2, 3; грунты основания насыпи, поз.4.
Посредством георадиолокационного обследования выявляются следующие параметры:
- определение мощности балластного слоя;
- выявление мест скопления грязевых гнезд или линз в толще балластной призмы, приводящие к развитию выплесков;
- определение конфигурации основной площадки земляного полотна, а по конфигурации и глубине распространения неровностей основной площадки можно прогнозировать наличие таких деформаций, как балластные корыта, мешки, гнезда и т.п.
- выявление пустот на закарстованных участках в основании земляного полотна.
После выполнения георадиолокационных измерений инженером-геофизиком и инженером-геологом производится совместная предварительная обработка и интерпретация полученных материалов с целью выявления аномальных участков и назначения контрольных точек бурения и дополнительных георадиолокационных профилей.
На следующем этапе работ бригадой, состоящей из инженера-геолога, бурового мастера и двух подсобных рабочих, выполняется контрольное бурение. Расположение скважин показано на фиг.2. В данном случае показан фрагмент поперечного профиля земляного полотна, представленный насыпью высотой 3.5 м с абсолютными отметками головок рельсов и перегибов профиля. Буровыми скважинами 26 и 27 вскрыты четыре слоя: балласт-щебень - 1; песчаная подушка, представленная среднезернистыми песками малой степени водонасыщения, с включением гальки до 15-20%, 2; грунты ядра насыпи, представленные супесью пластичной консистенции, 3; грунты основания насыпи, представленные суглинками тугопластичной консистенции, 4.
Бурение скважин производится ручным буровым комплектом в два этапа:
- на первом этапе проходится шурф по балластному слою, описывается загрязненность щебня, размер фракций и литология, слой обсаживается;
- на втором этапе производится бурение скважины с описанием литологии, гранулометрического состава, влажности, плотности, консистенции грунтов.
После проведения всех инструментальных измерений инженером-геологом и инженером-геофизиком производится обработка и интерпретация всех полученных материалов, составляется инженерно-геологическая характеристика участка, выделенные на радараграммах границы с помощью прикладных программ экспортируются в программу AutoCad для построения геологического разреза, наложенного на утрированный продольный профиль пути. Георадиолокация применяется в комплексе с бурением скважин, при этом объем буровых работ сокращается в 3-4 раза, что влечет за собой сокращение сроков полевых работ, а так как георадиолокация является одним из методов неразрушающего контроля, то и влияние буровых работ на состояние земляного полотна так же минимизируется.
Таким образом, результатом обследования является геологический разрез, впервые вынесенный на утрированный продольный профиль пути фиг.3, что позволяет комплексно оценивать состояние земляного полотна железной дороги. В заявляемом изобретении впервые результаты обследования земляного полотна железной дороги в виде геологического разреза выносятся на утрированный продольный профиль пути, что позволяет комплексно оценивать состояние земляного полотна железнодорожного пути, повысить эффективность обследования земляного полотна, снизить затраты на ремонтные работы и более экономно расходовать строительные материалы.
Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый способ отличается от известных аналогов: совокупностью существенных отличительных признаков:
- выполнением совокупности работ по обследованию земляного полотна в комплексе, где:
- после визуального обследования проводят
- георадиолокационные работы, и только потом выполняют:
- контрольное бурение.
Результатом комплекса работ является:
- вертикальный разрез, впервые вынесенный на утрированный продольный профиль пути.
Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый способ соответствует критерию "новизна".
Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где:
На фиг.1 показан фрагмент радарограммы, которая представляет собой вертикальный волновой профиль, по горизонтальной оси которого отложена координата X вдоль участка железнодорожного полотна - либо в метрах, либо в трассах, по вертикальной оси сверху вниз отложено либо время прохождения электромагнитной волны в среде нс, либо глубина в метрах, если произведен пересчет времени в глубину. В результате камеральной обработки по характеру волновой картины выделяют слои с различной диэлектрической проницаемостью. На данной фигуре выделены три слоя: балласт (в данном случае щебень) 1; песчаная подушка и грунты ядра насыпи (в данном случае представленные песками) 2, 3; грунты основания насыпи 4.
На фиг.2. в данном случае показан фрагмент поперечного профиля земляного полотна, представленный насыпью высотой 3.5 м с абсолютными отметками головок рельсов и перегибов профиля. Буровыми скважинами 26 и 27 вскрыты четыре слоя: балласт-щебень 1; песчаная подушка, представленная среднезернистыми песками малой степени водонасыщения, с включением гальки до 15-20%, 2; грунты ядра насыпи, представленные супесью пластичной консистенции, 3; грунты основания насыпи, представленные суглинками тугопластичной консистенции, 4.
На фиг.3 показан утрированный продольный профиль пути-фрагмент, который составляется по материалам геодезических и геологических обследований, изображается в масштабе по горизонтали 1:10000, по вертикали 1:100, на продольный профиль выносят геологические слои - поз.1 - балласт (щебень), поз.2 - песчаная подушка, поз.3 - фунты ядра насыпи, поз.4 - грунты основания земляного полотна, полученные в результате обработки радарограмм и результатов бурения, а также показывают: развернутый план пути; план линии ремонтируемого пути; отметки головки рельсов ремонтируемого и смежного - при двухпутных участках - путей, м; отметки земли, м; разницу уровней головки рельсов смежных путей, см, проектную и существующую границу вырезки балласта относительно головки рельса смежного пути, см; проектные отметки головки рельсов ремонтируемого пути, м; уклоны % и длина, м; толщина щебня под шпалой, см; изменение отметок головки рельсов под опорами контактной сети, см на элетрофицированных участках; номера опор контактной сети и их пикетажное положение; высота подвески контактного провода, мм; места укладки геотекстиля, георешеток, теплоизоляционных материалов.
Пример.
В мае 2005 г. проводилось обследование земляного полотна комплексом инженерно-геологических и геофизических методов для обоснования проекта усиленного капитального ремонта четного пути перегона Александров-Рязанцево 115 км пк 0-165 км пк 3 Северной железной дороги. Протяженность обследованного участка - 50,3 км.
Для этого программой изысканий было предусмотрено проведение полевых инженерно-геологических буровых работ с применением комплекта инструмента ручного бурения ударного типа и геофизических работ по методике георадиолокационного зондирования с применением георадара «Zond-12 Е». Обследование проводилось в следующей последовательности: визуальный осмотр; георадиолокационное обследование; предварительная интерпретация материалов георадиолокации; проходка шурфов и бурение скважин; анализ по измеренным параметрам.
При визуальном осмотре отмечено наличие многочисленных выплесков разжиженного балласта в межшпальные ящики, в протяженных выемках и нулевых местах практически все существующие водоотводные сооружения на всем своем протяжении засыпаны мусором и заилены, практически во всех пониженных местах вдоль земляного полотна отмечаются скопления поверхностных вод, обусловленных весенним снеготаянием, также отмечается наклон опор контактной сети в полевую сторону на участке ПК 139.4-139.6.
Затем было выполнено 50,3 км георадиолокационного профилирования с использованием антенны 750 MHz по концам шпал. С использованием антенны 300 MHz обследована насыпь, расположенная на торфяном болоте (ПК 139.0-140.0). В процессе предварительной обработки материалов георадиолокации было выявлено резкое повышение удельного затухания электромагнитных волн (уменьшение амплитуды колебаний) на участке ПК 139.2-139.7 в интервале глубин 1,7 м - 4,0 м, что характерно для водонасыщенных грунтов.
В результате бурения на ПК 139.5 под двухметровой толщей торфа вскрыты глины серо-голубого цвета текучепластичной консистенции предположительно юрского возраста. В этом месте на протяжении 500 метров (ПК 139.2-139.7) земляное полотно проходит по торфяному болоту. Бурением скважин на отметках 192,50-192,75 вскрыты грунтовые воды, гидродинамически связанные с прилегающим болотом. После сопоставления всех полученных материалов было принято решение - при производстве усиленного капитального ремонта пути на участке ПК 139.2-139.7 вместо бесстыкового пути уложить звеньевой, дистанции пути было рекомендовано вести надзор за данным участком, особенно в весенне-осенний период, кроме того, для понижения уровня грунтовых вод на нулевых местах и в выемках проектом был предусмотрен ремонт и очистка существующих лотков, восстановление старых и нарезка новых водоотводных канав и кюветов.
Данная аномальная зона была оконтурена, были заложены дополнительные буровые скважины, все полученные данные были вынесены на поперечные разрезы и утрированный продольный профиль пути, после чего была получена более достоверная картина по деформации, происходящей на данный момент и происходившей ранее на обследуемом участке. Это позволило в 3-4 раза повысить эффективность обследования земляного полотна. При этом затраты на ремонтные работы снизятся на 10-20%.
Технико-экономический результат: заявляемый способ применяется на Юго-Восточной железной дороге с 2002 г., впервые применялся на перегоне Колодезная-Давыдовка и для обследования «больных» мест на Лискинской дистанции пути совместно с Инженерно-геологической базой Службы пути. В 2004, 2005 гг., а так же на Приволжской железной дороге и с 2005 г. на Северной железной дороге.
Использование заявляемого способа повышает эффективность обследования земляного полотна, снижает затраты на ремонтные работы на 10-20%.