Мониторинг конструкций транспортных тоннелей и вмещающих массивов методом регистрации естественного импульсного электромагнитного поля земли ЕИЭМПЗ (или естественного электромагнитного излучения (ЕЭМИ)).

В ходе научно-методических работ методом ЕИЭМПЗ (ЕЭМИ) на подземных объектах — транспортных автодорожных и железнодорожных тоннелях — были получены интересные закономерности: характерные изменения спектров электромагнитного излучения при нарастании напряженно-деформированного состояния в железобетонных обделках тоннелей.

В районах с неблагоприятными инженерно-геологическими условиями в настоящее время обязательным является проведение геотехнического мониторинга при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей [1]. В комплекс инструментальных геофизических измерений при геотехническом мониторинге входит метод регистрации естественного электромагнитного излучения (ЕЭМИ). В большей мере этот  метод используется для качественной характеристики геодинамической активности горных пород по трассе горных выработок. И хотя метод естественного электромагнитного излучения (под аббревиатурой ЕИЭМПЗ – естественное импульсное электромагнитное поле Земли) включен в нормативные документы в качестве метода для установления напряженного состояния массива [2], его применение для оценки степени опасности напряженно-деформированного состояния (НДС) горных пород, крепей и обделок находится пока на стадии экспериментов [3].

Лабораторные исследования процессов электромагнитного излучения образцов различных   горных пород и искусственных материалов при нагружении на прессах показывают, что метод регистрации электромагнитного излучения имеет высокую чувствительность для обнаружения повреждений в массиве горных пород и материалах  строительных конструкций на стадии зарождения трещин и для отслеживания развития разрушений в процессе эксплуатации [4-7, 8]. В работе [5] была установлена связь между размерами трещин при нагружениях образцов различных материалов на прессе и длительностью выделения упругой энергии (акустической эмиссии): чем больше трещина, тем больший период акустических импульсов она излучает.  Последующими исследованиями подобные закономерности были получены и для электромагнитных сигналов [9, 10]. Так по данным этих исследований было показано, что размер трещины, возникающей при разрушении образца, соответствует длительности электромагнитного импульса: время от начала импульса до его максимума T — пропорционально количеству нарушенных молекулярных связей и соответственно длине трещины L (при постоянной скорости Vтр роста трещины):

T ~ L/Vтр

Таким образом, лабораторными исследованиями на образцах различных по электрическим свойствам материалов (среди которых щелочно-галоидные кристаллы, металлы и сплавы, монокристаллы, горные породы, бетоны и лед) при анализе спектров электромагнитного излучения выявлена особенность: непосредственно в актах разрушения образцов при одноосной нагрузке максимум энергетического спектра процессов смещается в низкочастотную область. Рядом авторов [11] появление низкочастотной составляющей в спектре поля также связывается с развитием и движением скоплений дислокаций и скачкообразным характером деформаций.

В настоящей статье представлены материалы натурных исследований характерных изменений спектров электромагнитного излучения при контроле НДС в рамках геотехнического мониторинга в районе тоннеля №6 бис железнодорожной линии Туапсе — Адлер на конечном этапе его строительства и эксплуатации по настоящее время. В комплексе мониторинговых работ были выполнены измерения электромагнитного излучения прибором ЭМИ-3К (разработка научно-исследовательского отдела ОАО «ЛМГТ»), в котором используется одновременная трехкомпонентная регистрация сигналов ЕЭМИ. При анализе данных ЕЭМИ и сопоставлении их с горно-геологическими условиями и деформационными процессами в окрестностях тоннеля используются материалы инклинометрии скважин и показания системы струнных датчиков автоматизированного мониторинга НДС крепи.

Исследования деформаций грунтов по данным инклинометрии скважин

Наибольшую опасность для строительства и эксплуатации тоннелей относительно неглубокого заложения представляют оползни, особенно на припортальных участках. В районе расположения тоннеля №6 бис с началом строительства наблюдались деформации и просадки грунтов на  дневной поверхности. Причины деформаций в большей мере были связаны, с тем, что город Сочи на 80% подвержен оползням мощностью до 50 — 70 м и более. Кроме того, территория Сочи характеризуется сложными инженерно-геологическими и гидрогеологическими условиями, карстом и высокой (до 9-ти баллов) сейсмической опасностью. Поэтому любое вмешательство в геологическую среду без достаточного инженерного обоснования может привести к техногенным авариям.

Основной объем исследований по контролю деформаций был сосредоточен в районе северного портала тоннеля, который расположен в левом склоне долины р. Сочи по обширному глубокому оползню № 680 (по кадастру СК ГЭЦ). Сам северный портал (ПК 19636+70) находится в нижней части оползня, где его мощность составляет от 2.8 до10 м. Подстилающими породами, по которым происходило первоначальное движение оползня, являются коренные аргиллиты сочинской свиты, слои которых залегают по азимуту 350-360о под углом 14-18о в пределах оползневого участка. В настоящее время по ним наблюдаются медленные непрерывные, пластичные подвижки, усиливающиеся в дождливые периоды.

С целью наблюдения вертикальных и горизонтальных смещений грунта оползня на участке вблизи тоннеля №6 бис в районе пикета 19638+71 были устроены две наблюдательные скважины с направляющими трубами и магнитными целями для проведения измерений с использованием цифровых инклинометров и магнитных экстензометров. Схема расположения наблюдательных скважин показана на рис. 1.

Измерения в скважинах позволяют контролировать смещения грунтового массива по глубине, тем самым наблюдать за активностью оползня. На графиках рис. 2 и рис. 3 приведены данные о вертикальных и горизонтальных смещениях по скважинам №1 (на оси тоннеля) и №2 (на расстоянии 15 метров от тоннеля).

Рис 1

Рисунок 1 — Схема расположения наблюдательных скважин в районе пикета 19638+71. Расстояние между скважинами 20 м.

Рис2-1

Рисунок 2 — Изменение горизонтальных смещений устья скважины №1 в период с 26.11.2012 по 06.03.2015. Начало эксплуатации тоннеля – декабрь 2013 г.

Рис2-2

Рисунок 2(1) — Изменение горизонтальных смещений устья скважины №1 в период с 26.11.2012 по 06.03.2015. Начало эксплуатации тоннеля – декабрь 2013 г.

Рис3-1

Рисунок 3 — Изменение горизонтальных смещений устья скважины №2 в период с 26.11.2012 по 06.03.2015. Начало эксплуатации тоннеля – декабрь 2013 г.

Рис3-2

Рисунок 3(1) — Изменение горизонтальных смещений устья скважины №2 в период с 26.11.2012 по 06.03.2015. Начало эксплуатации тоннеля – декабрь 2013 г.

За период наблюдений в скважинах №1 и №2 оползневого склона выполнено несколько циклов измерений (см. рис. 2 и 3). В целом смещения грунтового массива в горизонтальной плоскости были небольшими. Например, по скважине №2 в плоскости А максимальные смещения на глубине 0.5 м составили 5-5.5 мм. Причем направление смещений менялось относительно измерения 26.11.2012 г.  то по направлению к западному порталу тоннеля (3, 6, 7 измерения), то к северному порталу (2, 4, 5, 8, 9 измерения). Максимальные смещения в плоскости В на той же глубине 0.5 м не превышали 5 мм. Направления смещений также менялись относительно первого измерения. По данным экстензометрических измерений существенных вертикальных деформаций за период наблюдений с 07.09.2011 г. по 03.04.2013 г. не выявлено.

Рис4

Рисунок 4 – Результаты инклинометрии в приповерхностной части скважины №1

Рис4-2

Рисунок 4 – Результаты инклинометрии в приповерхностной части скважины №2 на глубинах 1, 2, 3 м

На рис. 4 приведены смещения в плоскости А (по направлению  склона) за весь период наблюдений. Видно, что основным направлением смещения грунтов является направление к северному порталу (вниз по склону). Однако есть заметные отклонения направлений смещений оползневых масс грунта, на которые по нашему мнению могли повлиять местные ощутимые землетрясения [12] и нагрузки от расположенных над тоннелем зданий (см. рис. 1). Самыми сильными землетрясениями в данный период времени были:  в декабре 2012 года (три землетрясения с самым заметным  землетрясением в Сочи до 5 баллов 28 декабря), а также землетрясение 13 февраля 2013 г. (в Сочи  3-4 балла).

Методика измерений и результаты спектрального анализа ЕЭМИ

Для контроля геодинамической активности в тоннеле №6 бис в составе геотехнического мониторинга проводились работы методом регистрации электромагнитного излучения. Для регистрации ЕЭМИ использовался прибор ЭМИ-3К с одновременной трехкомпонентной регистрацией электромагнитного излучения. В приборе в качестве приемного устройства используются три идентичные цилиндрические ферромагнитные антенны, которые ориентированы взаимно перпендикулярно. Общий вид прибора показан на рис. 5. Пространственная ориентация антенн при измерениях всегда остается одной и той же: антенна Z – вертикально; антенны X, Y – в горизонтальной плоскости (X – вдоль оси тоннеля, Y – поперек).

Рисунок 5

Рисунок 5 – Прибор ЭМИ-3К для регистрации ЕЭМИ с 3-мя стержневыми взаимно перпендикулярными ферромагнитными антеннами (антенны X, Y, Z).

При регистрации электромагнитного излучения на три открытых канала без фильтраций получается цифровая запись сигналов в диапазоне 0 – 150 кГц. Регистрация ЕЭМИ в каждом пункте наблюдений по времени составляла 5 секунд. Шаг измерений по профилю 20 м, в местах ожидаемых изменений НДС – 2-5 м.

Во время измерений смещений в наблюдательных инклинометрических скважинах ПК 19638+71 (см. рис. 1)  по тоннелю проводилась регистрация ЕЭМИ с одновременной трехкомпонентной регистрацией. Наиболее примечательным результатом этих работах было получение характерных спектров с максимумом ЕЭМИ на частоте 60.29 кГц на участке тоннеля в районе северного портала в интервале пикетов ПК19636+70 (северный портал) до ПК19638+90, где еще фиксировался максимум спектра на частоте 60.29 кГц. По остальной части тоннеля наблюдались спектры других форм, и они характерных максимумов на частоте 60.29 кГц не имели. Причем последний пикет, на котором в спектре еще выделялся характерный максимум на 60.29 кГц, менялся: в октябре он был ПК19638+30, в ноябре — на ПК19637+90 и феврале 2013 г. – на ПК19637+60. Этот максимум выделялся на всех спектрах, рассчитанных по данным регистрации ЕЭМИ антеннами X, Y, Z и по своей форме изменялся мало, но заметно отличался по амплитуде.

Основной причиной такого проявления ЕЭМИ могло быть влияние оползня (см. рис. 6), который при своем движении оказывает сдвигающие усилия на обделку и на контакте обделки и смещающейся породы образуется напряжение, достигающее значений достаточных для образования микротрещин в массиве – источников сигналов ЕЭМИ. Кроме того, очагами ЕЭМИ могут быть разряды статического электричества, связанные с трением горных пород оползня по поверхности бетонной обделки.

На рис. 7  приведены результаты спектрального анализа данных регистрации ЕЭМИ по вертикальной антенне Z для участка со стороны северного портала тоннеля №6 бис, полученные при повторных наблюдениях ЕЭМИ с характерными спектрами.

Сравниваемые спектры получены в разное время, причем через относительно большие периоды времени, в течение которых в массиве горных пород могли происходить, и происходили различные геодинамические процессы. Например, связанные с перераспределениями напряженно-деформированного состояния при завершении проходки и сооружении постоянной обделки тоннеля №6 бис, а также ощутимыми землетрясениями  в декабре 2012 г. в г. Сочи.  Тем не менее, внешний вид первых четырех спектров похожий, и максимум у всех приходится на частоту 60.29 кГц. На спектрах отмечается уменьшение интенсивности ЕЭМИ на частоте 60.29 кГц по данным измерений в ноябре-декабре 2012 г. и феврале 2013 г. Вероятно, здесь сказывается проявление фактора сезонного изменения температурно-влажностного режима в приповерхностном массиве горных пород.

6

Рисунок 6 – Инженерно-геологический разрез по участку тоннеля № 6 бис.

Рисунок 7-1

Рисунок 7 — Спектры сигнала ЕЭМИ (антенна Z) в тоннеле № 6 бис практически на одних и тех же пикетах в разное время сверху вниз по порядку: 29.08.2012 г. По оси ординат – спектральная плотность в децибелах (дБ).

Рисунок 7-2

Рисунок 7 — Спектры сигнала ЕЭМИ (антенна Z) в тоннеле № 6 бис практически на одних и тех же пикетах в разное время сверху вниз по порядку: 19.10.2012 г. По оси ординат – спектральная плотность в децибелах (дБ).

Рисунок 7-3

Рисунок 7 — Спектры сигнала ЕЭМИ (антенна Z) в тоннеле № 6 бис практически на одних и тех же пикетах в разное время сверху вниз по порядку: 14.11.2012 г. По оси ординат – спектральная плотность в децибелах (дБ).

Рисунок 7-4

Рисунок 7 — Спектры сигнала ЕЭМИ (антенна Z) в тоннеле № 6 бис практически на одних и тех же пикетах в разное время сверху вниз по порядку: 16.12.2012 г.  По оси ординат – спектральная плотность в децибелах (дБ).

Рисунок 7-5

Рисунок 7 — Спектры сигнала ЕЭМИ (антенна Z) в тоннеле № 6 бис практически на одних и тех же пикетах в разное время сверху вниз по порядку: 22.02.2013 г. По оси ординат – спектральная плотность в децибелах (дБ).

На основании данных регистрации, обработки, расчетов и анализа спектров построена таблица 1, в которой показаны временные изменения частотных максимумов спектров. По данным приведенным в таблице 1 видно, что с 19 октября 2012 г. за период наблюдений по 22 февраля 2013 г. происходило уменьшение максимумов плотности мощности сигналов ЕЭМИ по всем антеннам. По данным измерения 22 февраля 2013 г. характерный максимум спектра на частоте 60.29 кГц заметно понизился и похожий по форме максимум большей амплитуды появился на частоте 25.6 кГц. То есть произошло смещение интенсивности излучения в сторону более низких частот (25.6 кГц).

Таблица 1.

Временные изменения частотных максимумов спектров

Дата

Пикет Частота максимума спектр, кГц Максимум спектра по антеннам, отн.ед.
X Y

Z

29.08.2012 г.

19637+90 60.29 8 25 38

19.10.2012 г.

19637+50 60.29

45

48 50
14.11.2012 г. 19637+70 60.29 30 40

42

11.12.2012 г.

19637+40 60.29 30 32

32

22.02.2013 г. 19637+60

19637+70

60.29       25.6 нет максимума, средний уровень -30÷-40 -5

5

8

17

Подобное поведение ЭМИ при исследованиях по образцам горных пород предшествовало наступлению стадии слияния микротрещин, образования крупных трещин и разрушения [4,5]. На основании этих данных следовало ожидать какого-либо проявления изменений НДС не только в массиве оползня, но и обделке тоннеля.

На рисунках 8 и 9 показаны графики развития во времени относительных деформаций бетона и нормальных тангенциальных напряжений в сечении постоянной обделки из монолитного железобетона на ПК 19637+90. Схема расположения датчиков в постоянной обделке показана на рис. 10. К концу режимных мониторинговых наблюдений (начало апреля 2013 г) в местах установки датчиков фиксировались как растягивающие, так и сжимающие напряжения. Максимальные растягивающие напряжения составляли -1,6 МПа, максимальные сжимающие напряжения 2,0 МПа. Расчетное сопротивление бетона проектных марок 300 на осевое растяжение по СНиП II-В. 1-62 в бетонных конструкциях не превосходит 0.95 МПа, в железобетонных 1.05 МПа, на осевое сжатие в бетонных конструкциях 11.5 МПа и железобетонных 13 МПа [13]. Таким образом, растягивающие напряжения в обделке превосходили расчетные и могли  способствовать образованию в ней трещин в конце 2012 г. начале 2013 г.

8

Рисунок 8 – Кривые развития относительных деформаций и напряжений в бетоне постоянной обделки на ПК 19637+90 слева.

9

Рисунок 9 – Кривые развития относительных деформаций и напряжений в бетоне постоянной обделки на ПК 19637+90 справа.

10

Рисунок 10 – Схема расположения датчиков в постоянной обделке тоннеля.

Далее в режимном инструментальном контроле напряженного состояния обделки тоннеля с конца марта 2013 г. до середины декабря 2013 г. был перерыв и только с середины декабря 2013 г. с запуском автоматизированной системы геотехнического мониторинга контроль напряжений в обделке был возобновлен в автоматическом режиме. Следует отметить, что по тоннелю №6 бис при строительстве было оборудовано 8 замерных станций по контролю напряженного состояния с интервалом от 65 до 109 м (см. рис. 6).

Характеризовать изменения напряжений по датчикам деформаций можно только в местах их установки. По остальной части тоннеля сведений о напряжениях нет. Учитывая это, можно полагать, что разрушающие напряжения вероятны и в других участках обделки по тоннелю. ЕЭМИ дают интегральную характеристику о распределениях напряженных зон, в частности связанных с влиянием оползня, нагрузок от зданий над тоннелем и возможного влияния действующего тоннеля, расположенного параллельно тоннелю №6 бис.

На рис. 11 приведены результаты наблюдений напряженного состояния на пикете 19637+90 с 22 декабря 2013 г. по 08 июня 2015 г. Максимальные значения напряжений в районе пикета 19637+90 наблюдались 10.09 2014 г. на уровне 10.9 МПа.  Минимум напряженного состояния наблюдается в зимнее время.

11

Рисунок 11 – Изменение напряженного состояния в пункте установки датчика в секции на пикете 19637+90 слева по ходу увеличения пикетажа на внешнем контуре калоттной части обделки на границе с массивом горных пород. Результаты наблюдений с 22.12.2013 по 08.06.2015

При визуальном обследовании состояния обделки тоннеля 16 апреля 2015 г. по направлению от северного портала к южному было установлено:

—  на пикете 19637+60 по низу стены над банкеткой деформационный шов между секциями бетонирования влажный с обеих сторон и на полу ниши вода. Нарушение герметичности гидроизоляции и просачивание воды в местах расположения деформационных швов наблюдалось на пикетах 19637+75, 19637+85, 19637+95, 19638+10, 19638+25, 19638+35, 19638+55;

— на пикете 19639+05 видна трещина в полусводе;

— на пикете 19639+13 вода в нише со стороны моря;

— на пикете 19639+15 в своде отсутствует герметик в деформационном шве. По всему сечению герметик разорван трещинами. Трещины с раскрытием до 1 мм по бетону в полусводе, приуроченные к деформационному шву;

— вода на полу в нишах на пикетах 19639+40, 19639+73, 19640+03, 19640+90, 19641+25. Указанные выше деформации отмечены на разрезе (рис.6).

Технология устройства гидроизоляции по тоннелю заключалась в монтаже сплошного полиэтиленового покрытия контакта массива породы с бетонной обделкой. Деформационные швы заполнялись герметиком.  Поступление воды по деформационным швам, отмеченное при визуальном обследовании,  возможно только в случае нарушения целостности пленочного покрытия.

Заключение

Относительно короткий период эксплуатации тоннеля (около года) и мониторинговых наблюдений НДС системы «обделка — вмещающий массив» комплексом геомеханических и геофизических методов с использованием регистрации ЕЭМИ позволяет сделать следующие предварительные выводы.

  1. Характерные формы амплитудно-частотных спектров ЕЭМИ наблюдались с начала измерений 29 августа 2012 г. по 22 февраля 2013 г на интервале тоннеля от северного портала ПК 19636+70 до ПК 19638+30 под оползневым склоном и свидетельствовали о временной стадии его активизации. Возможно, что причина активизации оползня связанна не только со строительством тоннеля, но и случившимися в конце декабря 2012 г. землетрясениями.
  2. Практически все выявленные в апреле 2015 г. повреждения обделки находятся в том же интервале, на котором ранее наблюдались характерные спектры ЕЭМИ. В ходе визуального обследования на участке тоннеля под северным оползневым склоном обнаружено 16 повреждений бетонной обделки, 12 из которых с повреждениями герметичности гидроизоляции. Все эти повреждения находятся на интервале 0 — 275 м считая от северного портала, составляющего примерно 1/3 всей длины тоннеля.
  3. Максимальные смещения вдоль склона по данным инклинометрии на ПК 19638+71 составили за период наблюдений с ноября 2012 г. по март 2015 г. 5-5.5 мм.
  4. Вероятной причиной проявления ЕЭМИ и нарушений гидроизоляции на контакте черновой крепи и обделки являются подвижки в оползневом склоне, то есть его геодинамическая активность. При наблюдениях ЕЭМИ по тоннелю 14 апреля 2015 г. характерных по форме максимумов спектров на частотах 60.29 кГц и 25.6 кГц не было. Вероятно, процессы трещинообразования и смещений в этот период времени не проявлялись.

 

Список литературы

  1. Методическое руководство по комплексному горно-экологическому мониторингу при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей. – М.: УРАН ИПКОН РАН, НИПИИ «Ленметрогипротранс», 2009. – 68 с.
  2. СП 11-105-97 Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть VI. Правила производства геофизических исследований.
  3. Басов А.Д., Романевич К.В. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния горных пород и конструкций крепи при строительстве тоннеля на участке Северокавказской железной дороги Сочи-Адлер. //Инженерная геология. №6, 2013. С. 36-45.
  4. Вострецов А.Г., Кривеций А.В., Бизяев А.А., Яковицкая Г.Е. Изменение сигналов электромагнитного излучения при нагружении материалов. //Заводская лаборатория. Диагностика материалов. №4, 2011. Том 77. С. 50-53.
  5. Куксенко В.С., Ляшков А.И., Мирзоев К.М. и др. Связь между размерами образующихся под нагрузкой трещин и длительностью выделения упругой энергии. //ДАН СССР. 1982. Т. 264. №4. С. 846-848.
  6. Егоров П.В., Иванов В.В., Колпакова Л.А. О некоторых закономерностях импульсного электромагнитного излучения щелочно-галоидных кристаллов и горных пород. //ФТПРПИ, 1988. №1. С. 67-70.
  7. Черникова Т.М., Иванов В.В., Михайлова Е.А. Статистика накопления и линейчатые спектры электромагнитного излучения микротрещин в композиционных материалах. //Ползуновский вестник. №3/1, 2011. С. 66-70.
  8. Вознесенский А.С., Тамарин Д.В., Набатов Н.Н., Коновалов Е.Н. Электромагнитное излучение и акустическая эмиссия в гипсе при его деформировании. // Горный информационно-аналитический бюллетень. Москва, 2005, №5, с. 83-86.
  9. Вознесенский A.C., Набатов В.В. Оценка трещинообразования в массиве с гипсосодержащими породами методом регистрации электромагнитного излучения // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2003′, №3, с. 3-12.
  10. Frid, V., Bahat, D., Goldbaum, J., Rabinovich, A., 2000. Experimental and theoretical investigations of Electromagnetic radiation induced by rock fracture. Israel Jornal of Earth Sciences 49, 9 – 19.
  11. Головин Ю.И., Шибков А.А. Быстропротекающие электрические процессы и динамика дислокаций в пластически деформируемых щелочно-галоидных кристаллах // ФТТ.1986. Т. 28. №11. С. 3492-3499.
  12. Басов А. Д., Романевич К. В., Шляев С. А. «Электромагнитное излучение в зонах деформационных предвестников землетрясений» Физические основы прогнозирования разрушения горных пород: тезисы докладов IX Международной школы-семинара, Иркутск, 2-6 сентября 2013 г. – Иркутск: ИЗК СО РАН, 2013. 115 с.
  13. Волков В.П., Наумов С.Н., Пирожкова А.Н., Храпов В.Г. Тоннели и метрополитены. – М.: Транспорт, 1975. -551 с.
Исаев Ю. С., Лебедев М. О., Басов А. Д., Романевич К. В., Шляев С. А. «Характерные изменения спектров электромагнитного излучения при контроле напряженно-деформированного состояния обделки тоннеля» // Промышленное и гражданское строительство. 2015. №11. С. 29 – 36.