Транспортные тоннели строятся и эксплуатируются  в особо сложных геологических, гидрогеологических и сейсмологических условиях, т.е. в условиях постоянно меняющихся во времени геомеханических и геодинамических процессов в горном массиве, обусловленные сначала (перед началом строительства) естественными (природными) причинами, а затем (во время строительства и эксплуатации) – ими же и техногенными причинами совместно.

К постоянно действующим естественным факторам геомеханических и геодинамических процессов относятся,  прежде всего,  наличие разломов в земной коре и связанных с ними тектонически-напряженных зон, высокая сейсмичность региона, оползневые явления, гидростатика подземных вод, карстообразование и пр. Техногенные факторы  с течением времени могут видоизменяться: если на стадии строительства на геомеханические и геодинамические процессы набольшее влияние оказывают  горное давление и, соответственно, меняющееся напряженно-деформированное состояние горного массива, то со временем, после сооружения тоннеля и относительной стабилизации горного давления, превалирующими становятся уже другие техногенные воздействия на горный массив и созданные в нем сооружения – это, например, вибрационное сейсмическое воздействие на тоннель и горный массив проходящих поездов или автомашин, близкие техногенные взрывы на близлежащих карьерах или разрезах, гидродинамика и др.

Одним из важных факторов,  определяющим  долговечность и сохранность обделки тоннелей, и  их безопасную эксплуатацию, является взаимодействие обделки и грунтов, особенно грунтов слабых, неустойчивых, подверженных эрозии и вымыванию связывающих и заполняющих материалов.  В результате чего в заобделочном пространстве со временем появляются зоны дезинтеграции горных пород и разуплотненные зоны, а во многих случаях полости и пустоты, что обуславливает изменение или перераспределение напряженно-деформационного состояния системы «обделка-горный массив». Последнее приводит  к тому, что на отдельные и локальные элементы обделки начинают действовать повышенные статические и, особенно, динамические нагрузки, которые могут превысить пределы прочности материала обделки с вытекающими из этого последствиями. Чтобы не допускать этого, за обделкой необходимо выявлять эти разуплотненные и дезинтегрированные зоны, полости и пустоты для последующего заполнения нагнетающими составами или для инъекционного закрепления грунтов. Этим можно существенно снизить неравномерность воздействия напряжений на обделку и заставить работать её в расчетных режимах.

Для решения вышеотмеченной задачи, а также для изучения деформационно-прочностных  характеристик горных пород в ближней зоне от тоннеля используется  комплекс геофизических методов,  основным  их  которых   является сейсмопрофилирование методом преломленных или рефрагированных волн с помощью высокочастотных инженерных сейсмостанций, зачастую с регистрацией двух компонент смещений для  более выразительного приема продольных и поперечных колебаний.

Расстояние между точками  регистрации определяется, прежде всего, размерами интервалов пород определенной литологии и зон состояния и  обычно составляет от 1-2м, реже 5м.  Сейсмоприёмники прикрепляются  к обделке  с помощью алебастра.

Регистрация упругих колебаний проводится в режиме накопления сейсмических воздействий от ударов кувалдой по обделке тоннеля, необходимое количество которых для пунктов возбуждения, расположенных по краям  и в середине одной расстановки, составляет от 3 до 10 ударов, а для выносных пунктов увеличивается до 30 воздействий.

Первичная обработка материалов сейсмопрофилирования  имеет цель получения наиболее выразительной волновой картины, которая имела бы наилучшее разрешение, как по продольным, так  и  по поперечным волнам. Эта первичная обработка выполняется  с помощью пакета сервисных и прикладных программ,  входящих в программное обеспечение сейсмостанции.

После  доведения волновых картин (прежде всего с помощью процедур селективной фильтрации и подбора усиления) до оптимального с точки зрения выделения фронтов продольных и поперечных колебаний осуществляется определение времен их вступлений  с помощью курсора на дисплее. Эти данные, записанные в соответствующем формате,  и являются исходной информацией для завершающего этапа обработки данных сейсмопрофилирования.

Первичная обработка материалов сейсмопрофилирования МПВ в тоннелях, в отличие от  наземных наблюдений, имеет следующие специфические особенности.

Во-первых, в первых вступлениях всегда регистрируются мощные продольные волны, распространяющиеся  по бетону или железобетону обделки, причем  спектр этих «бетонных» волн имеет  очень четко выраженный максимум, что позволяет почти полностью подавить их при дальнейшей обработке и этим самым  эффективно выделить продольные волны по горным породам, которые приходят вторыми вступлениями.

Во-вторых, кроме бетонного слоя, большое осложнение при обработке  дают техногенные помехи, которые присущи условиям тоннеля, например, падение воды из дренажных скважин.

И, наконец, в третьих,   поперечные волны по горным породам в большинстве случаев мало выразительны, несмотря на предпринимаемые меры, но при этом  почти всегда хорошо выделяются R-волны (поверхностные волны Релеевского типа).  Поэтому, в обработку включались R-волны, обоснованность применения которых для определения деформационных характеристик пород подтверждается расчётами.

Следует заметить, что глубинность сейсмических исследований зависит от состава, свойств и состояния горных пород за обделкой тоннеля. Этим  объясняется различная глубина проникновения сейсмической волны в одном тоннеле, но на различных участках исследований. При работе на преломленных и рефрагированных волнах глубина проникновения сейсмических волн в первом приближении свидетельствует о прекращении роста скоростей с глубиной, что в свою очередь указывает на выдержанность физических характеристик данных пород и, как следствие, на устойчивость их  состояния.

Завершающим этапом обработки материалов сейсмического профилирования  является построение скоростных разрезов по профилям.

Геолого-геофизические условия горного массива вокруг тоннелей объекта являются, как правило,  достаточно сложными – здесь отсутствуют четкие горизонтальные границы, на которые ориентированы традиционные способы обработки материалов метода преломленных волн; разгрузка естественного напряженного состояния обуславливает градиентное изменение скоростей, как по вертикали, так и по латерали.

Поэтому  наиболее оптимальным является принцип томографической обработки. Основная идея его заключается в создании рассчитанного скоростного разреза, который бы во всем множестве точек пересечения сейсмических лучей удовлетворял бы условию соответствия расчетных и текущих лучевых времен.

Томографический подход к обработке данных сейсмопрофилирования не имеет принципиальных ограничений, как и в случае сейсмопросвечивания. Каждый годограф из определенного пункта возбуждения рассматривается как самостоятельный элемент (соответствие времен во взаимных точках служит только как контроль качества измерений для оценки погрешности), причем не накладываются ограничения ни на наличие границ и их гладкость, ни на постоянство средней скорости в покрывающей среде, ни на отсутствие проницания и т.п.

В связи с вышесказанным, для сложно построенных сред подход определения скоростного распределения в разрезе  или объеме можно считать наиболее приемлемым при современном уровне обработки данных сейсморазведки МПВ.

Таким образом, для построения результативных скоростных разрезов используется специализированный пакет программ сейсмической томографии FIRSTOMO. Он позволяет рассчитывать скоростное строение 2х — или 3х-мерной среды по данным о временах пробега сейсмических волн между множеством пар «источник-приемник» с учетом преломления лучей.

Причем, исходной информацией являются координаты источников и приемников и времена пробега сейсмических волн различного типа.

При использовании пакета программ имеется возможность задания: начальной скоростной модели различными способами; селекции данных по величине невязок времен; варьирование параметрами регуляризации; получения информации о траекториях сейсмических лучей.

Непосредственные этапы томографической обработки заключаются в выборе оптимальных параметров исходной скоростной модели, дробности ее разбиения на ячейки, определении масштаба регуляризации и количества необходимых итераций.

В соответствии с ожидаемым распределением скоростей, начальная модель принимается градиентной с увеличением скорости  в горных породах с глубиной, например, от 500 до 4000 м/с.

Элементарные ячейки  модели  принимаются  квадратными с размерами, к примеру, 1х1м.  За конечную итерацию для рассчитываемых скоростных разрезов принимается, в основном,  пятикратная итерация. Критерием достаточности при этом является достижение относительной стабильности получаемой скоростной картины при последующих итерациях и отсутствие мелких локальных скоростных аномалий, обусловленных погрешностями исходных данных. Параметр регуляризации изменяется для каждой последующей итерации, например,  по схеме 1.0 — 0.7 – 0.5 – 0.3 – 0.1.

На представленных ниже рисунках показаны томографические разрезы по скоростям продольных (Vp) и поперечных (Vs) (релеевских) волн по автодорожному тоннелю города Уфа на участке вывала в пройденную штольню. Данный материал получен методом сейсмопрофилирования из соседней выработки через 50 см слой набрызг-бетона усиленного стальными швеллерами. В центральной части  разрезов хорошо видно зону разрушенных пород с наличием  в этих породах пустот, заполненных глинистой эмульсией.

 

МПВ-3

Результаты обработки сейсмических данных по автодорожному тоннелю (южная штольня)

МПВ-4

Результаты обработки сейсмических данных по автодорожному тоннелю (северная штольня)

Оценка свойств и состояния грунтов за обделкой транспортных тоннелей по данным 2D-сейсмотомографии / Ю. С. Исаев, О. В. Бойко // Известия Тульского Государственного Университета. Серия: Геомеханика. Механика подземных сооружений. Выпуск 3, ТулГУ, — 2005 — С. 73- 76.