геофизическая служба» проводит инженрно-геофизическими методами исследования физико-механических свойств грунтов. Применяя эти методы можно существенно сократить объемы геологоразведочных (вскрышных, буровых) работ.
В технологический процесс метода входит:
- мобильная прецизионная многоканальная телеметрическая станция СТС-24, обеспечивающая широкодиапазонную и широкополосную регистрацию упругих колебаний;
- возбуждение упругих колебаний ударными устройствами и многокомпонентная регистрация продольных и поперечных волн по методике многократных перекрытий с комплексированием систем наблюдений;
- использование сейсмотомографического аппарата при обработке полученных данных;
- проводится компьютерная обработка информации;
Результатом обработки являются сейсмотомографические модели объектов исследования, отражающие особенности распределения по разрезу сейсмических и физико-механических свойств грунтов (плотность, влажность, сцепление и т. п.).
Технология включает процедуру автоматизированного, основанного на аппарате лучевой томографии, подбора скоростной модели среды, обеспечивающей высокоточное решение задачи получения физико-механических характеристик исследуемого грунта.
Это открывает возможности использования технологии, при исследовании грунта, на больших и малых площадях, в условиях городской застройки, насыпных сооружений (тоннели метрополитенов, ж/д насыпи, дамбы, плотины и т. п).
«Сибирской геофизической службой» были поставлены и решены следующие задачи:
1) Исследование грунтов при строительстве Новосибирского метрополитена.
2) Исследование грунта в затоннельном пространстве действующего метрополитена.
3) Исследование влияния вибраций от метропоездов на жилую застройку
4) Выявлена картина обводнения действующей станции «Студенческая».
5) Проведено исследование грунтов на строительных площадка в охранной зоне метрополитена.
I. Применение сейсмических методов изысканий в процессе строительства метрополитенов.
а. Исследование стоящихся метрополитенов.
Оценка состояния грунтов левого перегона тоннеля ст. «Маршала Покрышкина» - ст. «Берёзовая роща» (строящаяся линия) по результатам инструментальных сейсмических исследований с определением физико-механических характеристик и картированием аномальных участков (эрозионных, разуплотнённых, карстовых) на глубинах до 20 м.
Основные задачи.
- Провести технологическое опробование разработанных методических и технических решений, обеспечивающих получение высококачественного сейсмического материала на продольных и поперечных волнах, внутри тоннеля и на дневной поверхности.
- Выполнить обработку и интерпретацию сейсмической информации с построением цифровой сейсмофизической модели и оценкой значений скоростей упругих волн, плотности (в условиях их естественного залегания).
- Выполнить картирование локальных участков разуплотнения грунтов.
Общая характеристика района работ.
Экспериментальные сейсмические работы по изучению физико-механических характеристик грунтов на перегоне тоннеля ст. «Маршала Покрышкина» - ст. «Берёзовая роща» были проведены в период с 26 декабря 2002 г. по 15 января 2003 г. в районе путепровода на пересечении улиц Ипподромской и Гоголя. Асфальтный слой дорожного полотна в районе проведения работ имеет среднюю абсолютную отметку 155,56 м над 270 кольцом проходки и 155,64 м над 273 кольцом проходки. До начала строительства тоннеля на уровнях 154,35 м и 154,47м соответственно, была заложена монолитная железобетонная конструкция мощностью 0,3 м. Проходка тоннеля диаметром 5,5 м велась с применением чугунных тюбингов, скрепленных стальными болтами. Верхняя точка тоннеля прошла по отметке 152,2 м.
Выработка велась в породах (разнообразные супеси, суглинки), насыщенных водой и имеющих плотности от 1,7 до 2,0 г/см3. Геологический разрез представлен на рис.2.
Методика проведения работ.
Сейсмические работы проводились высокоточной 24-х разрядной отечественной сейсмотелеметрической станцией на открытом канале с частотой дискретизации 0.5 мс. Количество используемых сейсмических каналов варьировало от 24 до 60 .
Работы были выполнены по методике многократных перекрытий по 3 профилям, расположенных как по простиранию изучаемого объекта (тоннеля метро), так и в крест его, схема расположения профилей приведена на рис.1. Наблюдения проводились с трехкомпонентными сейсмоприемниками СК3-10Ц, вертикальными СВ-20, что позволило одновременно регистрировать все типы возбуждаемых упругих волн. Один продольный сейсмический профиль располагался внутри тоннеля на его боковой стенке с кольца № 000. На отметке 149,6 м располагались трехкомпонентные сейсмоприемники с шагом один метр. Длина расстановки составила 19 метров. Возбуждение упругих колебаний осуществлялось ударами молота, между пунктами приема, так же с шагом 1 м по направлению радиуса тоннеля. Два поперечных сейсмических профиля располагались в крест простирания тоннеля. Вертикальные сейсмоприемники крепились по периметру колец № 000 и № 000 с шагом по периметру 1 м. На каждом кольце располагалось по 12 сейсмоприемников. Пункты возбуждения располагались на дневной поверхности, вдоль улицы Ипподромская с шагом 1м. Максимальные выносы пунктов возбуждения от оси тоннеля составляли 25 м в обе стороны. Было отработано 102 пункта возбуждения по 51 над кольцами № 000 и № 000. Синхронизация отметки момента возбуждения упругих колебаний и начала регистрации сейсмических данных производилась по проводной линии связи. Сейсмическая инструментальная съёмка проводилась в ночное время для уменьшения техногенных, прежде всего, транспортных помех. В результате проведенных опытных работ было получено 70 сейсмограмм с трехкомпонентной записью сейсмических колебаний и 102 однокомпонентные сейсмограммы.
Обработка материалов была выполнена в интерактивном режиме на РС - компьютерах в системе Windows ХР. Первичная обработка сейсмических материалов была выполнена с построением для каждого профиля системы годографов волн, регистрируемых в первых вступлениях, прежде всего годографов продольных, прямых рефрагированных волн. Далее была проведена полная обработка сейсмических данных с использованием математического аппарата лучевой сейсмотомографии, результатом которой являются сейсмотомографические разрезы с оценкой скоростной характеристики грунтов, прилегающих к тоннелю.
Основные результаты работ.
Построенные сейсмотомографические разрезы по отработанным профилям представлены на рис.1 , на которых четко проявляется существенная дифференциация скоростей продольных волн Vр, по сравнению с априорной информацией о значениях скоростей Vр, составляющей 280÷420 м/с для песчано-глинистых пород.
На поперечных сейсмотомографических разрезах можно выделить область пониженных значений скоростей Vр, расположенную около боковых стен тоннеля, что выработкой пород в процессе его проходки, которое привело к разгрузке напряжения в слое 4А и к разуплотнению пород. Как известно, для супесей, средняя зависимость изменения плотности пород от скорости распространения сейсмических волн Vp выражается формулой:
∆ ρ ≈ 0.00058х∆Vp,
для нашего случая ∆Vp = 100÷200 м/с.
Таким образом, коэффициент уплотнения пород пласта 4А (в зоне разуплотнения) составил – 0.93÷0.97.
В правой части стенки тоннеля на разрезах вокруг колец № 000, № 000 появляется ограниченная высокоскоростная область, предположительно связанная с зацементированным участком грунта вокруг тюбингов рис.2.
Скорость в верхней же части свода тоннеля, тем не менее высокая (Vр=600÷800 м/с), что объясняется уплотнением грунта, вызванного провисанием ж/б плиты, уложенной на глубине 1,5 м от поверхности.
Непосредственно на поверхностях разрезов по кольцам № 000 и № 000 отмечаются две высокоскоростные области на (X= 0÷12 м и X= 38÷48 м. ) , что очевидно связано с промерзанием насыпного грунта под асфальтным полотном дороги. В центральной же части разреза скорость на поверхности составляет всего 300 м/с, что указывает на отсутствие в данной части дороги мерзлотных пород, возможно связанного с тепловым потоком направленным из тоннеля к дневной поверхности.
Наиболее низкоскоростная область Vр=200 м/с у поверхности (Х=24 м) связана с разуплотнением насыпного грунта под дорожным покрытием, вызванного провисанием ж/б плиты, находящейся на уровне 1,5 м. под поверхностью. Уменьшение данной области разуплотнения от центра дороги к ее периферии (к опорам), указывает на наибольшее прогибание ж/б плиты в центральной части автомобильного полотна, что в целом очевидно.
Выполненные работы являются важным этапом в исследованиях при инженерных изысканиях с целью оценки состояния грунтов в окрестностях тоннелей метро.
б. Исследование фундаментов и грунтов на строительных площадках в зонах влияния строящихся метрополитенов.
Целевым назначением работ являлась подготовка заключения о состоянии грунтов по трассе левого тоннеля на перегоне ст. "Маршала Покрышкина" - ст. Березовая роща", пройденного , по результатам сейсмических исследований с оценкой физико-механических характеристик грунтов и определением аномальных участков разуплотнения грунта на глубинах до 10 м.
Сейсмические исследования выполнялись как на поверхности, так и внутри тоннеля. Наблюдения на поверхности выполнены на 10 профилях с суммарной протяженностью 800 пог. м (с использованием в обработке как продольных так и поперечных волн). Наблюдения внутри тоннеля с освещением свойств надтоннельых грунтов выполнены по 10 профилям (плоскостям) с суммарной протяженностью 761 м. Наблюдения внутри тоннеля с освещением свойств околотоннельных грунтов выполнены на 8 профилях с суммарной длиной 182 м, часть схемы расположения профилей приведена на рис.3.
Результаты работ с использованием системы наблюдений - просвечивание грунтов прямыми рефрагированными волнами с поверхности земли.
При возбуждении и приеме упругих колебаний на поверхности земли глубина освещения грунтов составила около 6 - 7м. То есть освещается только верхняя часть разреза, расположенная над пластом лессовых суглинков рис 2.
Для примера приведен сейсмотомографический разрез по профилю № 000 (см. рис.4), который явился отправной точкой для дальнейшего исследования территории строительства.
На сейсмотомографическом разрезе Vp № 000 выделяются локальные зоны пониженных значений Vp, что связано с разуплотнением грунтов, на пикетах ближайших к вентиляционной шахте (удаления 20-40м). Изменения эти достаточно велики и составляют примерно Vp = 300-400м/с. (разуплотнение до 15 %), что в дальнейшем привело к обводнению данной зоны и вывалу пород через вертикальный ходок в тоннель метрополитена порядка 400 кубических метров породы.
Для дальнейшей оценки состояния грунтов в окрестности тоннеля и близко расположенной новостройки были привлечены сейсмические наблюдения на четырех профилях, параллельных основным фасадам здания и пересекающих тоннельную зону (профили 110,111,112,114 - рис.3). Протяженность каждого профиля от 80 до 100м. Использовалась поверхностная система наблюдений - прием и возбуждение упругих колебаний осуществлялось на дневной поверхности.
Обработка первичного сейсмического материала проводилась с использованием сейсмотомографического подхода. Результатом этой обработки являются сейсмотомографичеекне разрезы грунтов по скоростям распространения продольных (Vp) и поперечных (Vs) волн, а также их отношений (Vp/ Vs). Глубина освещения строения грунтов составила примерно 7 - 8м. При этом наиболее достоверно освещается строение грунтов верхней части разреза (интервал 0 -6м), соответствующей грунтам типа 2 (лессовая супесь). Для этой части разреза отмечаются аномально заниженные значения скоростей Vp и Vs для участков расположенных над осью левого тоннеля на расстоянии 15 - 30м от его оси. Правая часть аномальной зоны располагается в пределах северной части новостройки (пр. 110 рис.5).
С использованием общеизвестных формул и опираясь на значения плотности (dens) и влажности (W), полученных по замерам на образцах из скважин были получены сейсмотомографические разрезы по параметрам dens и W. Плотность грунтов по разрезу изменяется в пределах от 1,73 до 1,77 г/см3. Наименее плотные грунты (dens = 1,73 - 1,74 г/см3), фиксируются в области, расположенной над осью левого тоннеля на расстоянии 20 м от этой оси (профиль 110). По профилю 110 область разуплотненных грунтов в интервале глубин 1 – 6 м от поверхности земли располагается в пределах проекции новостройки на этот профиль. Значения коэффициента разуплотнения грунтов составило 3 – 5 %.
Общие представления в динамике поведения грунтов в околошахтном и околотоннепьном пространстве.
1. При проходке ствола шахты имел место большой вынос разжиженного грунта из слоя 4А (водонасыщенная супесь). В результате выноса сформировалась депрессионная воронка, которая впоследствии заполнилась грунтовыми водами. Началось проседание нижней части лессовых супесей, которые опускались в воронку заполненную водой. В пределах околошахтного пространства сформировалась зона разуплотненных грунтов.
2. Постепенно проседание затронуло и слой лессовых суглинков (грунты типа ЗА). В окрестности шахты сформировалась депрессионная зона по поверхности экранирующего слоя ЗА. Такая депрессионная форма способствовала сбору и накоплению грунтовых вод из пропластков верхнего слоя лессовых супесей. Эти воды стекали вниз по разуплотненным грунтам в околошахтном пространстве и постепенно сформировали цилиндрическую зону водонасыщенных грунтов.
3. В критический момент сильно влажный грунт околошахтного пространства (в нижнем слое лессовых супесей) прорвал крепление в ходке, соединяющем шахту с тоннелем, и в разжиженном состоянии вытек в тоннель.
4. В результате сброса грунта в нижнем слое лессовых супесей сформировалась околошахтная каверна. Постепенное обрушение грунта в пределах этой каверны привело к проседанию лессовых суглинков (слой ЗА) и лессовых супесей в верхней части разреза. В результате этого произошло уже обрушение и верхнего слоя разреза с образованием поверхностного провала, размером (15-20 м2) и глубиной до 10 м.
Таким образом, имело место последовательное и многоактное обрушение
грунтов, начавшееся снизу и постепенно распространившееся к верху. В результате
этого процесса грунт в окрестности шахты должен находиться в разуплотненном и
обезвоженном состоянии.
II. Применение геофизических методов в процессе эксплуатации метрополитенов.
а. Исследование затоннельного пространства метрополитенов.
Целевым назначением работ являлось проведение опытно-методических работ по сейсмотомографическому исследованию физико-механических характеристик грунтов прилегающих к внешней стороне обделки метро-тоннеля на правом перегоне соедини - тельной ветки в депо (ПК 700 - ПК 741) Новосибирского метрополитена.
Для чего было необходимо:
- Разработать методику и технологию инженерных инструментальных сейсми-
ческих исследований проходки метро-тоннеля в городских условиях.
- Провести технологическое опробование разработанных методических и технических решений, обеспечивающих получение высококачественного сейсмического материала на продольных и поперечных волнах, внутри тоннеля.
- Выполнить обработку и интерпретацию сейсмической информации с построением цифровой сейсмофизической модели и оценкой значений скоростей упругих волн, плотности и других физических параметров пород в условиях их естественного залегания.
- Выполнить картирование локальных участков разуплотнения грунтов.
Сейсмические исследования выполнялись внутри тоннеля. Пункты приема и возбуждения сейсмических колебаний находились на боковой поверхности тоннеля
на уровне 2 х метров от его основания. Наблюдения выполнены на профиле протяженностью 41 пог. м (внутри тоннеля) см. рис.6.
Особенности геологического строения верхней части разреза.
Особенности геологического строения верхней части разреза приводятся по результатам выполненного ранее бурения скважин (рис.7).
В окрестности тоннеля на участке работ (ПК 700 – 741) первая соединительная ветка в депо представлена в основном тремя типами грунтов. В нижней части разреза залегают суглинки бурые, насыщенные водой, мягкопластичные (слой 5). Выше залегают супеси желто-бурые или суглинки, маловлажные твердые (слой 2). На ряде участков верхняя часть разреза представлена насыпным грунтом – супесью с включениями техногенного материала. Осредненные значения физико-механических характеристик грунтов для этих слоев представлены в таблице.
Наименование показателей | Ед. изм. | Слои (рис.6.) | ||
2 | 3 | 5 | ||
Плотность - γ | г/см3 | 1,76 | 1,95 | 1,95 |
Модуль общей деформации - eod | МПа | 11,0 | 4,8 | 4,8 |
Удельное сцепление - с | МПа | 0,011 | 0,010 | 0,010 |
Влажность - w | % | 18,0 | 27,0 | 27,0 |
Степень влажности - φ | 0,64 | 0,99 | 0,99 | |
Угол внутреннего трения | град | 22,0 | 14,0 | 14,0 |
Методика полевых исследований.
Продольный сейсмический профиль располагался внутри тоннеля на боковой стенке правого перегона соединительной ветки в депо (ПК 700 - ПК 741).
Длина расстановки составила 41 метр с пунктами приема сейсмических колебаний расположенными через 1 м. Возбуждение упругих колебаний осуществлялось ударами молота , между пунктами приема, так же с шагом 1 м по направлению радиуса тоннеля.
Сейсмическая инструментальная съёмка проводилась в ночное время для уменьшения техногенных, прежде всего, транспортных помех. В результате проведенных опытных работ было получено 43 сейсмограммы. Обработка материалов была выполнена в интерактивном режиме на РС - компьютерах. Первичная обработка сейсмических материалов была выполнена с построением для каждого профиля системы годографов волн, регистрируемых в первых вступлениях, прежде всего годографов продольных, прямых рефрагированных волн. Далее была проведена полная обработка сейсмических данных с использованием математического аппарата лучевой сейсмотомографии, результатом которой являются сейсмотомографические разрезы с оценкой скоростной характеристики грунтов прилегающих к тоннелю, а так же их физико-механические параметры.
Результаты работ.
Сейсмотомографический разрез по скоростям распространения продольных волн (Vp) рис.8.
Интервал освещения разреза по продольным волнам составил ~ 4,5 м. Значения Vp меняются по вертикали в низ в интервале расстояний 0 - 4,5 м от профиля наблюдений в пределах 400 – 1400м/с. Некоторое общее занижение значений Vp отмечается в сторону меньших пикетов.
В интервале ПК 734 – 740 отмечается наибольшее занижение значений Vp. Ниже уровня 4,5 м., при расчете физико-механических параметров среды значения скорости Vp принимались равными 1450 м/с. За уровень грунтовых вод может быть принята кровля скоростного диапазона 1100 – 1300 м/с, расположенная на расстоянии 3 м вниз от линии профиля.
Сейсмотомографический разрез по скоростям распространения поперечных волн(VS) рис.8.
Интервал освещения разреза по поперечным волнам составил ~ 7,5 м. Значения VS изменяется в пределах от 160 м/с до 480 м/с плавно увеличиваясь по вертикали вниз. В пределах ПК 728 – 736 отмечается локальное занижение скорости.
Полученные сейсмотомографические разрезы по параметрам Vp, VS и VS/Vp использовались для изучения физико-механических свойств среды: плотности – γ, влажности –w, степени влажности – φ, сцепления – с, модуля общей деформации – eod (рис.9). Плотность грунтов (γ) изменяется от 1,70 -1,77 г/см3 вблизи стенки тоннеля и плавно увеличивается по вертикали вниз до значений γ = 2,0 г/см3. На уровне водоносного горизонта значение плотности составляют 1,85 – 1,92 г/см3. Отмечается локальное понижение значений γ в интервале ПК 728 – 736.
Значение параметров сцепления (с) по разрезу изменяется в пределах от 0,07 до 0,10 Мпа. Локальное снижение значений параметра (с) отмечается в интервале ПК 728 – 736.
Значения влажности (w) изменяются в пределах от 5 до 8 %. В интервале ПК 724 – 735 выделяется локальная аномалия относительно повышенной влажности. Значения степени влажности (φ) изменяются в пределах от 0,10 до 0,35. Наиболее низкие значения (φ) фиксируются в верхней части разреза.
В пределах ПК 726 – 735 фиксируется аномально высокое значение параметров φ (φ=0,35).
Значения модуля общей деформации (eod) изменяются в пределах от 5 до 27,5 Мпа. Наиболее низкие значения (eod) соответствуют грунтам верхней части разреза. В интервале ПК 724 – 736 фиксируется аномалия относительно пониженных значений (eod).
Анализ сейсмотомографических разрезов и физико-механических параметров изучаемых грунтов позволяет уверенно выделить аномальную зону в интервале ПК 724 – 736, характеризующуюся относительно пониженными значениями плотности (γ), сцепления (с), модуля общей деформации (eod) и повышенными значениями степени влажности (φ). Данную зону можно связать с разветвленной овражной сетью вблизи поймы реки Первая Ельцовка с одной стороны и из зон повышенного дренажа грунтовых вод с другой стороны. Выделенная прогнозная аномалия в целом вписывается в очертания некогда существовавшего оврага, засыпанного в настоящее время.
Сопоставление полученных значений параметров физико-механических свойств грунтов с их определением по образцам из скважин показывает, что по некоторым параметрам эти значения разнятся достаточно сильно. Особенно это относится к значениям по параметрам влажности и степени влажности. Устранить эти несоответствия можно путем нахождения связи между расчетными и лабораторными значениями параметров. Вместе с тем, тенденция изменения значений полученных расчетных параметров грунтов уже на данном этапе позволяет выявлять участки аномального их поведения, определять их природу и принимать соответствующие технологические решения.
Выводы:
1. Разработана методика и практически опробована технология инструментального сейсмотомографического изучения физико-механических свойств грунтов околотоннельного пространства с помощью прецизионной сейсмотелеметрической станции СТС-24.. На базе сейсмотомографических исследований получена общая характеристика состояния грунтов в пределах исследуемого участка.
2. Выполненные работы показывают, что использование сейсмотомографии позволяет выявлять зоны аномального разуплотнения грунтов и их повышенной влажности.
3. Дополнительные исследования могут позволить получить сведения о характере строения подстилающих тоннель грунтов, выделить зоны повышенной фильтрации.
4. Построение моделей геологической среды с оценкой распределения коэффициентов пористости и водонасыщенности пород по площади, определение отметок уровня грунтовых вод необходимо выполнять при совместном использовании данных сейсморазведки и результатов отбора проб при колонковом бурении проблемных и эталонных участков.
б. Исследование влияния вибраций метрополитенов на существующие здания и сооружения.
Целевым назначением работ являлась подготовка заключения о состоянии грунтов на перегоне ст. метро “Сибирская” – “Маршала Покрышкина” Новосибирского метрополитена по результатам геофизических исследований с оценкой их физико-механических характеристик.
Сейсмические исследования выполнялись как на поверхности, так и внутри тоннеля. Схема расположения сейсмических профилей на перегоне ст. метро “Сибирская” – “Маршала Покрышкина” представлена на рис.10. Наблюдения на поверхности выполнены на профиле протяженностью 61.5 пог. м. Наблюдения внутри тоннеля с освещением свойств надтоннельных грунтов выполнены по 2 профилям (плоскостям) с суммарной протяженностью 96 м (с использованием в обработке как продольных, так и поперечных волн). Сейсмические работы проводились в течение позднего зимнего (январь-февраль) сезона. Физико-механические свойства грунтов на протяжении этих месяцев были изменены вследствие их промерзания
Методика полевых исследований.
Сейсмические работы проводились высокоточной 24-х разрядной отечественной сейсмотелеметрической станцией СТС-24 на открытом канале с частотой дискретизации 0,25 мс. Количество используемых сейсмических каналов варьировало от 18 до 42. Работы были выполнены по методике многократных перекрытий. С целью получения дополнительных сведений об особенностях строения грунтов перекрывающих тоннели, оценки их структурного строения, оценки глубины залегания гранитного массива был отработан профиль МОГТ длиной 61.5 м. Профиль МОГТ расположен по ул. Гоголя. Средняя точка профиля совпадает с ПК109+25.Использовались две системы наблюдений:
Первая система наблюдений – прием и возбуждение упругих колебаний осуществляются на дневной поверхности. Наблюдения по этой системе выполнены на профиле I, протяженностью 61.5 м. Пункты приема и возбуждения (42 канала приема) располагались через 1.5 м (сейсмические исследования МОГТ).
Вторая система наблюдений – прием колебаний осуществляется по образующей тоннеля (18 пунктов приема), возбуждение колебаний производится на дневной поверхности по профилям перпендикулярным оси тоннеля точно над профилями приема, при этом линия возбуждения и линия приема располагались в одной вертикальной плоскости. Длина профиля возбуждениям на ПК.107+80 составляла 43 м (рис.11) на ПК 109+25 соответственно 53 м. Наблюдения с этой системой выполнены на профилях № II, III (рис.10.). Пункты возбуждения располагались через 1 м.
Результаты работ.
На сейсмотомографических разрезах по параметрам плотность и сцепление на обоих вертикальных сечениях получено сходное распределение (рис. 12, 13).
Плотность ρ г/см3. На томографических сечениях значения параметра ρ имеется в пределах от 1.70 до 2.0г/см3. Аномально высокие значения ρ фиксируются в верхней правой части сечения (ПК107+80). Аномалия этого параметра, может быть обусловлена промерзанием грунта со стороны котлована. Для обоих сечений характерно понижение значений плотности (ρ =1.73-1.77 г/см3) надтоннельной части грунтов.
Сцепление C, МПа. Значение параметра C на сечениях изменяются в пределах от 0.05 до 0.12 МПа. В надтоннельной зоне на сечении (ПК107+80) фиксируется аномалия пониженных значений параметра (C = 0.06–0.07 МПа). На вертикальном сечении (ПК109+25) в надтоннельной зоне выделяются две аномалии повышенных значений параметра (C = 0.11-10.12 МПа).
На сформированном волновом сейсмическом разрезе МОГТ можно предварительно выделить три различно построенные сейсмофациальные зоны. Верхняя зона (от поверхности земли до глубины 22-24м) соответствует субгоризонтально расположенной среде (рис. 14). В пределах верхней зоны четыре отражающих границы (І, ІІ, ІІІ, УГВ). Границы І- ІІІ могут соответствовать литологическим границам раздела между слоями 2-3, 3-4 и 4-5а. Граница УГВ, скорее всего, соответствует уровню поверхностных вод (рис. 15). Эта граница находится на глубинах 22-24м. средняя сейсмофациальная зона отвечает линзообразно построенной среде. Нижняя граница этой зоны (до некоторой степени условно) отождествляется с поверхностью гранитоидного массива (ГР?). В направлении уменьшения пикетажа происходит плавное погружение глубины горизонта ГР? От ~25 до ~40м. Материалы профиля МОГТ были использованы также для оценки возможностей сейсмотомографии при работах в зимних условиях при возбуждении и регистрации сейсмических колебаний с поверхности земли. Сейсмотомографическая обработка этих материалов показала: при использовании продольных волн промерзший слой затрудняет интерпретацию материалов и дает результаты не адекватно отражающих строение среды.
Выводы:
1. Выполненные сейсмотомографические исследования и наблюдения МОГТ показали следующее:
Вертикальные сейсмотомографические сечения надтоннельных грунтов на ПК 107+80 и 109+25 в целом указывают на сходство «структурного» строения среды по различным физико-механическим свойствам. Вместе с тем по некоторым детальным частям разреза наблюдаются значительные различия в физико-механических свойствах грунтов. На вертикальном сечении, на ПК 107+80 аномальное поведение характеристик грунтов обусловлено, в частности, глубоким промерзанием грунтов из-за присутствия котлована.
2. Работы МОГТ, выполненные в районе сейсмотомографического сечения на ПК109+25, позволили расчленить четвертичные отложения на два комплекса и предположительно выделить две наиболее важные в геологическом отношении границы – уровень грунтовых вод (граница УГВ ) и поверхность гранитоидного массива (граница ГР?).
3. При прогнозной оценке уровней вибрации в домах, расположенных вдоль линии метро, важно учитывать их этажность и конструкцию фундамента. Например, по данным выполненных исследований коэффициент передачи вибрации от грунта к фундаменту для 5-и этажного дома оказался в 4-5 раз выше, чем для 10-и этажного.
4. При прогнозировании уровней вибрации на дневной поверхности в процессе трассировании линии метро необходимо учитывать величину расчетной скорости движения метропоездов; так, изменение скорости с 40 км/ч до 60 км/ч на лежневом основании без виброзащиты приводит к двукратному увеличению общего уровня вибрации.
5. На исследовавшемся участке линии метрополитена от ст. «Маршала Покрышкина» до ст. «Гарина-Михайловского» применение виброзащитного подрельсового основания не представляется целесообразным, поскольку уровни вибрации в жилых домах при использовании лежневого основания без виброзащиты ниже допустимых на 6-7 дБ.
в. Проведение геофизических работ по выявлению зон и причин обводнения
как на станциях, так и в тоннелях метрополитенов.
Целевым назначением работ являлась подготовка заключения о состоянии грунтов в районе ст. “Студенческая ” по результатам геофизических исследований с оценкой физико-механических характеристик грунтов, определения аномальных участков увлажнения станции с прогнозом возможных источников обводнения на глубинах до 8 м. Инженерно-геологический разрез по профилю ст. “Студенческая ” представлен на рис. 16.
Для выполнения данных геофизическо-инженерных работ было применено комплексирование различных методов:
1. Сейсмические исследования методом общей глубинной точки;
2. Сейсмические исследования методом сейсмотомографии;
3. Исследования методом электромагнитного зондирования;
4. Высокоточная геодезическая съемка рельефа дневной поверхности участка
работ.
Сейсмические исследования выполнялись с наблюдениями как на поверхности, так и внутри тоннеля. Наблюдения на поверхности выполнены на 6 профилях с суммарной протяженностью 600 пог. м (с использованием в обработке как продольных так и поперечных волн). Наблюдения внутри тоннеля с освещением свойств надтоннельных грунтов выполнены по 7 профилям (плоскостям) с суммарной протяженностью 500 м (с использованием в обработке как продольных, так и поперечных волн. Схема расположения профилей представлена на рис.17. Сейсмические работы проводились в течение позднего зимнего (февраль-март) и весенне-летнего (май-июль) сезонов. Физико-механические свойства грунтов на протяжении этих месяцев менялись вследствие их промерзания (зимой) и увеличения обводненности весной-летом. Сейсмотомографические разрезы выполненные в разные периоды года несут информацию о сезонных изменениях физико-механических свойств грунтов.
Методика полевых исследований.
Схема расположения сейсмических профилей в окрестности ст. метро "Студенческая" исходила из поставленной задачи: локализовать участок утечки воды из каких-либо подземных коммуникаций, либо естественного подземного источника.
Первая система наблюдений – прием и возбуждение упругих колебаний осуществляются на дневной поверхности. Наблюдения по этой системе выполнены на 4 профилях, протяженность каждого профиля 47 м. Все 4 профиля располагались вдоль оси станции. Наблюдения с этой системой выполнены на профилях № 2,6,7,8 (рис.17).
Вторая система наблюдений – прием колебаний осуществляется на потолке станции, возбуждение колебаний проводится на дневной поверхности по профилям перпендикулярным оси станции точно над профилями приема, при этом линия возбуждения и линия приема располагались в одной вертикальной плоскости. Длина профиля приема равнялась18 м. Наблюдения с этой системой выполнены на профилях № 3,4,5 (рис.17). На рисунке 18 приведен пример сейсмотомографических разрезов по параметру Vp. м/c по данным профилям.
Третья система наблюдений – прием колебаний осуществляется по образующей стенки станции и вдоль стенки тоннеля, возбуждение колебаний проводится на профилях, расположенных параллельно оси тоннеля на разных расстояниях от этой оси. С использованием этой системы наблюдений отработано 4 профиля длиной по 47 метров в области предполагаемого обводнения грунта в процессе эксплуатации станции метро. Наблюдения с этой системой выполнены на профилях № 9-11, 10-11, 13-12,14-12 (первая цифра – номер линии возбуждения, вторая цифра - номер линии приема упругих колебаний), (рис.17).
Электромагнитное зондирование выполнено методом переходных процессов. Измерения выполнены в движении с дискретизацией получаемого входного массива данных на пикеты по профилю. Работы выполнены аппаратурой Импульс-4, установка соосная, размер генераторной конструкции 2.8х2.8, измерительной 1.6х1.6 метра, ток 6А. Расстояние между профилями составляло 1.5-5 метров, между пикетами 0.5-1.5 метра. Площадь работ составила 20 000 м2 (рис.19).
Разделение участков повышенной электропроводности на аномалии техногенного характера и аномалии, соответствующие зонам обводнения, должно осуществляться с привлечением имеющейся информации о местонахождении и глубине заложения инженерных коммуникаций и сооружений. Кроме этого, техногенные аномалии имеют локальный характер проявления и высокоградиентную структуру. Распределение электрического сопротивления по глубине 1-5 м может быть отнесено к первичному материалу и дает представления о значениях электрофизических характеристик участка.
Выводы.
Данные сейсмотомографии показывают, что увлажненные грунты на глубинах 3-5м расположены со стороны левого тоннеля, прилегают к нему на участке нижнего лестничного перехода, фиксируются в начальной части подземной станции и широкой полосой уходят в северном направлении со стороны правого тоннеля. Наиболее контрастные аномалии влажности фиксируются в пределах этого поля в виде узкой лентообразной полосы. По этому каналу и прогнозируется повышенная фильтрация подземных вод (рис.20). Наиболее вероятным источником грунтовых вод, приводящих к обводнению грунтов, является система колодцев, возможно, связанных каким-либо образом с водонапорной системой. Но могут быть и другие типы источников обводнения. Данные топосъемки показывают – линия метро по ул. Карла Маркса проходит примерно по русловой части древнего оврага. Поэтому наряду с техногенными причинами обводнения грунтов, нельзя сбрасывать со счетов и возможную естественную природу их периодического обводнения – подземными ключами.
Выделенные зоны повышенной влажности верхней части грунтов подтверждаются материалами электромагнитного зондирования (МПП), которые дают на этих участках резкое уменьшение глубины залегания кровли водонасыщенных грунтов до 1-5м от поверхности земли (рис.19). Яркие аномалии пониженных значений ρκ выделяются также со стороны правого и левого входов в метро, но они, скорее всего, обусловлены влиянием железобетонных конструкций подземных переходов и иных коммуникаций.
III. Предпроектные геофизические изыскания.
а. Исследование площадок под строительство в охранной зоне метрополитенов.
Геофизические исследования на площадке строительства гостиницы, бизнес-центра, банка и подземных автостоянок по ул. Сакко и Ванцетти – Кирова в Октябрьском районе г. Новосибирска находящейся в зоне влияния метрополитена были выполнены с 20.10.2006 по 20.11.2006 г. Геофизическая Служба».
Для выполнения данных инженерно-геофизических работ было применено комплексирование трех методов обработки данных сейсморазведки:
1. Сейсмические исследования методом сейсмотомографии;
2. Сейсмические исследования методом преломленных волн;
3. Сейсмические исследования методом отраженных волн (МОГТ).
Сейсмические исследования были выполнены с наблюдениями на дневной поверхности, по двум профилям общей протяженностью 200 пог. м.
Полученные следующие результаты:
1. Уровень грунтовых вод располагается на глубине 29-31 м от дневной поверхности;
2. По профилям № 1 и № 2 построены интегральные плотностные разрезы рис.21;
3. Построена карта изогипс глубины кровли коренных пород приведенных к уровню устья скважины СКВ – 4 см. рис.22.
IV. Разработка технологического комплекса геолого-геофизических мероприятий в проблемных зонах.
- Разработка методики диагностики состояния тоннелей с прогнозом возможных деформаций и разрушений с возможным включением в нее следующих составных частей:
1. Сейсмоакустическое обследование тоннелей с построением сейсмотомограмм продольных Vp и поперечных Vs волн.
Определение основных физико-механических характеристик грунта вокруг тоннеля и его основания в выделенных на сейсмотомограммах зонах неоднородности с их последующим уточнением путем контрольного бурения или зондирования. Построение объемной геомодели тоннеля и околотоннельного пространства по данным сейсмотомографии. Трёхмерный компьютерный анализ напряжённо-деформированного состояния тоннелей под действием колебаний от колесных пар электропоездов. Выработка и расчетное обоснование рекомендаций по усилению и реконструкции тоннелей. Проведение работ по “лечению” тоннелей на основе принятых рекомендаций.Таким образом высокая точность и новые технологические приёмы применяемые геофизическая служба» позволяют, используя комплексно технологию сейсмотомографии и другие геолого-геофизические методы, в несколько раз сократить затраты на геологические изыскания. Кроме того, технология открывает качественно новые возможности для изыскателей, например: исследовать грунты окружающие тоннель метро непосредственно из самого тоннеля.
,
Геофизическая Служба»,6300007 г. Новосибирск, а/я 276
т.8-383-2231412, 8-913-904-7436, 8-903-999-0570.
ФГ УП CНИИГГиМС, СГУПС (НИИЖТ),
