Россия
сотрудник
Россия
Россия
Россия
ВАК 1.6 Науки о Земле и окружающей среде
ВАК 1.2.1 Искусственный интеллект и машинное обучение
ВАК 1.2.2 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
УДК 55 Геология. Геологические и геофизические науки
Строительство на участках с развитыми карстовыми процессами зачастую требует проведения мероприятий по закреплению грунтов цементными смесями. Как любые скрытые работы, закрепление грунтов в свою очередь требует контроля качества. По мнению авторов статьи, наиболее информативным является комплекс работ, включающий межскважинное сейсмоакустическое просвечивание как инструмент определения строения межскважинного пространства с возможностью расчета физико-механических свойств закрепленного массива. В статье демонстрируются возможности межскважинного просвечивания на примерах, полученных авторами при выполнении контроля качества закрепления грунтов для строительства искусственных сооружений на скоростной федеральной автомобильной дороге М-12 «Восток».
Межскважинное просвечивание, МСП, свойства грунтов, лабораторные исследования керна, ультразвуковые измерения, карстовые процессы, закрепление грунтов, М-12 «Восток»
Введение
Одной из головных болей строителей и проектировщиков является карст. Карстовые процессы весьма распространены в европейской части России (рис.1), что требует детального изучения участка строительства и индивидуальных подходов при проектировании, например проведения мероприятий по закреплению грунтов цементными смесями.
Рисунок 1. Фрагмент карты воздействия карстово-суффозионных процессов на населенные пункты и хозяйственные объекты на территории РФ в 2006 г. [6]
Процесс закрепления заключается в закачивании цемента под основание будущего сооружения в определенном объеме под определенным давлением. Однако даже при полном соблюдении технологии закрепления возможны отклонения от нормы, связанные с особенностями геологического строения в условиях развития карстовых процессов. Например, наполнение неучтенных карстовых полостей или уход цемента по кавернам и трещинам.
На этом этапе возникает задача контроля качества выполненного закрепления грунта, и один из вариантов выполнения такого контроля – применение геофизических методов.
Геофизика широко применяется при изучении карста, но наземные методы отличаются низкой разрешающей способностью, резко падающей с глубиной, а также требовательны к состоянию дневной поверхности. Хорошей альтернативой здесь может быть метод межскважинного сейсмоакустического просвечивания, или МСП.
МСП, как правило, ассоциируется с ответственными объектами строительства, например де-факто является обязательным методом исследования площадок установок энергоблоков атомных электростанций [2, 3] или на участках размещения котлованов небоскребов [1, 9].
Основным преимуществом метода является высокая точность и детальность получаемых результатов, что открывает возможности к корректному использованию количественных характеристик. Но не менее важной особенностью является отвязка от условий на дневной поверхности – скважины для МСП могут быть пробурены на строительной площадке, нагруженность которой строительными материалами, техникой или перекопанным рельефом обычно является препятствием для классических наземных геофизических методов.
Перечисленные достоинства делают метод МСП одним из наиболее информативных методов для контроля качества закрепления грунтов.
Суть подхода
Метод межскважинного сейсмоакустического просвечивания в варианте многолучевой сейсмотомографии заключается в регистрации сигналов от сейсмического источника, перемещающегося в одной скважине, множеством приемников, расположенных в другой скважине [4, 7, 9]. При таком подходе в межскважинном пространстве регистрируется множество пересекающихся сейсмических лучей, что позволяет выполнить томографическую инверсию и вычислить распределение скоростей упругих волн в межскважинном пространстве.
В межскважинном пространстве могут регистрироваться как продольные P-волны, так и поперечные S-волны, и технически возможна работа на обоих типах волн. Однако на практике требования к устройству скважины и сейсморазведочному оборудованию для работы на S-волнах настолько велики, что приводят к кратному увеличению стоимости и сроков выполнения работ и используются крайне редко. В подавляющем большинстве случаев МСП выполняется на P-волнах, и следовательно, восстанавливается разрез Vp в межскважинном пространстве.
Сам характер распределения скоростей в межскважинном пространстве может многое говорить о строении среды. На рисунке 2 приведен пример скоростного разреза МСП на P-волнах, полученного по профилям из нескольких скважин на соседних участках работ в г. Москве. На одном из участков карстовые процессы сильно развиты, на другом нет. Карстовые процессы уверенно выделяются по неоднородностям значений Vp в межскважинном пространстве.
Рисунок 2. Пример результатов МСП на соседних участках работ. Слева – участок, не затронутый карстовыми процессами. Справа – с сильно развитым карстом
Геометрию объектов можно определять и мигрируя отраженные волны, регистрируемые в МСП в последующей записи [8]. Это позволяет существенно повысить точность определения границ и разрешающую способность, а также изучить пространство ниже забоя скважин. Однако в данной работе этот подход не применялся.
Сплошность и однородность среды, отсутствие полостей и прочие геометрические признаки, определяемые в методе МСП, сами по себе могут служить признаком качественного закрепления грунта. Однако более информативным был бы переход на количественные характеристики.
С точки зрения заказчика, которым в данном случае является проектирующая или строительная организация, скорости продольных волн являются малопонятным параметром. Гораздо полезнее были бы физико-механические свойства, например предел прочности на одноосное сжатие Rc.
Уже очень давно установлено, что между скоростями Vp и физико-механическими свойствами пород имеются корреляции [5, 10]. В середине прошлого века было множество работ на эту тему, и сейчас это находит широкое применение, в частности при геомеханических расчетах для разработки месторождений, однако в инженерной сейсмике в России применяется редко, хотя корреляции и прописаны в нормативах, например в СП-11-105-VI «Правила производства геофизических исследований».
Далее в работе будет сделан акцент на зависимость Vp от Rc, хотя в общем случае это могут быть разные физико-механические свойства.
Определение таких зависимостей производится при лабораторных исследованиях – на одних и тех же образцах сначала выполняются неразрушающие измерения Vp, а далее образец ломается для определения предела прочности на одноосное сжатие Rc. Этот подход также описан в нормативе ГОСТ 17624-2012 «Бетоны. Ультразвуковой метод определения прочности». Имея такие зависимости, можно производить пересчет скоростей Vp, получаемых в полевых сейсморазведочных исследованиях, в значения Rc, что многократно повышает ценность результата для заказчика.
Здесь необходимо сделать одну важную оговорку: в сейсморазведке наиболее корректным является определение скоростей в акустическом каротаже (АК) или в методе ВСП, когда регистрируется луч, распространяющийся вдоль прямой линии наблюдения (вдоль скважины). Прочие методы, в особенности наземная сейсмотомография, оперируют криволинейными лучами, восстанавливая их траекторию с ошибками, приводящими к ошибкам определения длины пробега луча и, как следствие, к большим погрешностям расчета скоростей. Эти методы позволяют корректно лишь на качественном уровне оценивать скорости, выделять аномалии. Формально метод МСП так же работает с кривыми лучами, однако при небольших расстояниях между скважинами (10–20 м), учитывая высокую частоту сейсмического импульса (сотни и первые тысячи Гц), точность расчета скоростей приближается к точностям в методах ВСП и АК, что дает возможность использовать их при дальнейших вычислениях.
Таким образом, имея корреляционные зависимости Vp(Rc), можно пересчитать разрез скоростей Vp в значения предела прочности на одноосное сжатие Rc.
Далее в статье будут рассмотрены примеры контроля качества закрепления грунтов как путем анализа однородности и сплошности грунтового массива, так и путем количественной оценки значений Rc в закрепляемом массиве.
Способ закрепления грунтового массива и система наблюдений
Закрепление закарстованных грунтов и тампонаж карстовых полостей производился через погруженные на заданную глубину инъекторы под давлением цементационного раствора, который после твердения придавал массиву пород повышенную водонепроницаемость. Это способствовало прекращению или резкому замедлению процесса растворения существующих карбонатов или образованию новых карстовых форм. Также повышались прочностные характеристики грунтового массива.
Типовая схема расположения инъекторов приведена на рисунке 3. Расстояния между инъекционным скважинами составляло 1–4 м.
Рисунок 3. Типовая схема расположения инъекционных и геофизических скважин относительно тела опоры (в плане)
Скважины для выполнения МСП размещались таким образом, чтобы плоскость просвечивания пересекала опору. Как правило, на одну опору выполнялись 2–3 скважины МСП, формирующие прямой или ломаный профиль, пересекающий опору. Расстояние между скважинами составляло 10–20 м. На рисунке 3 приведены две типовые ситуации: когда плоскость просвечивания целиком находилась под опорой и когда она формировала двухсегментную ломаную, пересекающую опору два раза.
На одном участке работ отбор керна осуществлялся для всех геофизических скважин. На другом участке керн отбирался только в некоторых скважинах (около 20 % от общего объема), а основная часть геофизических скважин бурилась строительными буровыми станками без отбора керна.
Межскважинное просвечивание выполнялось по полнолучевой схеме с шагом 1 м по принимающей и излучающей скважинам.
Регистрация производилась либо гидрофонной скважинной косой, либо 8-точечной прижимной трехкомпонентной косой в случае, если уровень воды в скважинах был ниже интервала исследований.
Возбуждение сигнала производилось с помощью элекроискрового спаркера.
Контроль качества путем анализа однородности грунтового массива
Так как инъекции цемента делаются в нарушенные (пористые и трещиноватые) породы, следует ожидать заметного роста значений скоростей Vp в закрепленном грунте, а однородность значений будет свидетельствовать о равномерных свойствах грунта. Абсолютные значения скоростей Vp также могут выступать индикаторами качества закрепления. Так, например, в слабоконсолидированных песчано-глинистых породах верхней части разреза будут скорости Vp не более 2000–2500 м/с, в то время как скальные породы будут характеризоваться более высокими значениями, от 3000 м/с и выше.
На рисунке 4 приведены примеры скоростных разрезов Vp, полученные в ходе работ по контролю качества закрепления грунтов. Голубой штриховкой показаны проектные области закрепления карстующихся пород. Также наложены колонки скважин или фрагменты геологического разреза, пересекающего профиль просвечивания.
Рисунок 4. Примеры скоростных разрезов МСП, полученных в зоне закрепления грунтов. Проектная область закрепления показана голубой штриховкой
На рисунке видно, что в данном случае фактически область закрепления характеризуется стабильно высокими значениями Vp, как правило, превышающими 4000 м/с, что характеризует качество закрепления как высокое. Исключением является небольшая область у кровли закрепляемой зоны в средней части на левом рисунке (выделено красной штриховкой). Здесь скорости Vp падают до 2000 м/с, что говорит об отсутствии закрепления либо о его недостаточности. Однако в конкретном случае малые объемы области позволяют расценивать ее как не влияющую на сооружение.
К сожалению, при выполнении контроля качества закрепления в программе работ отсутствовал нулевой цикл – геофизическая съемка до закрепления грунта. Однако среди большого количества исследованных опор была опора со сложной формой области закрепления (рис. 5).
Инъекции цемента делались согласно проекту работ (зона инъекций выделена голубой штриховкой), в центральной части которой была ниша без инъекций (выделено красным пунктиром). Геофизическая съемка демонстрирует, что в этой области скорости Vp соответствуют таковым в породах над ней (не более 2000 м/с), то есть она действительно не была укреплена цементом, в то время как соседние закрепляемые области на той же глубине отличаются более высокими значениями Vp от 2500 до 3500 м/с, что полностью согласуется с проектом по закреплению грунтов.
Следует обратить внимание на карстовую полость, выделенную на предыдущем этапе изысканий в левой части разреза. Отмечается некоторое понижение скоростей Vp в центральной части карстовой полости, однако они все равно выше, чем в незакрепленной части массива, а это свидетельствует о том, что и полость была затампонирована, хотя некоторый ослабленный след оставила. Это, впрочем, не является критичным, так как ожидается, что цемент минимизирует фильтрацию воды, что, в свою очередь, остановит или замедлит процессы развития карста в карбонатах.
Рисунок 5. Изменение характеристик грунтов при закреплении. Голубой штриховкой показана проектируемая зона закрепления
Рисунок 6. Пример неполной цементации проектной зоны закрепления. Голубая штриховка – проектная область закрепления. Красный пунктир – области пониженных скоростей Vp, ассоциируемые с зонами недостаточного закрепления
На рисунке 6 продемонстрирован пример объективности метода МСП в вопросах контроля качества. На рисунке видно, что в кровле и подошве зоны закрепления выделяются области пониженных ниже 2000 м/с скоростей продольных волн (красная штриховка), что однозначно указывает на низкие прочностные характеристики грунтов в этих областях. Как видно из фрагментов геологических разрезов, наложенных на скоростной разрез, область пониженных скоростей в подошве зоны закрепления связана со слоем дисперсных грунтов, выделенных ранее при геологических изысканиях.
Контроль качества путем оценки прочностных характеристик грунтового массива
Контроль качества закрепления грунта путем оценки однородности и сплошности закрепляемых грунтов дает однозначный положительный результат в случае, если удается достичь однородности закрепления. Однако если закрепленный массив неоднороден, как, например, было продемонстрировано на рисунке 6, возникает вопрос о проведении границы между закрепленным и недостаточно закрепленным грунтом по данным МСП. Ее невозможно однозначно определить по одним лишь скоростям Vp. Требуются дополнительные лабораторные исследования, позволяющие установить связь между пределом прочности на одноосное сжатие и скоростью продольных волн.
На некоторых участках строительства скоростной автомагистрали М-12 контроль качества закрепления грунта предусматривал отбор керна и проведение лабораторных исследований: определение скоростей Vp и последующее определение предела прочности на одноосное сжатие Rc на тех же образцах. Закрепляемыми грунтами здесь были ангидриты и гипсы, отличающиеся по прочностным характеристикам, поэтому эти два типа грунтов рассматривались по отдельности.
Определение зависимости Rc(Vp) выполнялось по методике, описанной в ГОСТ 17624-2012 «Бетоны. Ультразвуковой метод определения прочности», которая в том числе подразумевает отбраковку вылетевших значений согласно некоторым критериям.
Пример исходных данных и получившихся зависимостей для одного из сооружений приведен на рисунке 7. Коэффициент корреляции для ангидритов – 0,81, что показывает высокую степень корреляции. Для гипсов он ниже, всего 0,63, однако диапазон изменений значений Rc весьма узок, что в данном случае не влияло на результаты оценки.
|
|
|
Рисунок 7. Измеренные значения Vp и Rc и корреляционные зависимости
В ходе анализа лабораторных данных было выявлено, что гипс и ангидрит различаются по скоростям по линии 5500 м/с. Ангидриты имеют более высокие значения скорости Vp, гипсы более низкие.
Рисунок 8. Распределение образцов по значениям Vp
Полученные лабораторные данные позволили выполнить пересчет значений скоростей Vp в гораздо более информативные для строителей значения Rc, что, в свою очередь, позволило однозначно ответить на вопрос о достижении проектных показателей прочности закрепленного грунта. Кроме того, это позволило исправить некоторые ошибки предпроектных изысканий.
На рисунке 9 приведен пример такой ситуации.
Рисунок 9. Пример количественного определения значений Rc для скальных пород. Цифрами показаны: 1 – забой архивной геологической скважины, 2 – кровля сульфатов, выделенная по геофизическим данным, 3 – прослой гипса в толще ангидрита, выделенный по данным МСП
Как видно из инженерно-геологических разрезов, выполненных в ходе предпроектных изысканий, кровля сульфатов начинается на абсолютной отметке 87 м. Но также видно, что на этой отметке находится забой архивной инженерно-геологической скважины (указатель 1), по которой строился разрез.
В то же время на скоростном разрезе МСП (рис. 9 слева) отчетливо видно, что высокоскоростные скальные породы начинаются лишь на отметках 76–77 м (указатель 2), что существенно глубже границы на геологическом разрезе. Так как это была одна из многих опор сооружений, примерное геологическое строение было известно по другим площадкам, на которых скальные породы, представленные гипсами и ангидритами, были первой высокоскоростной формацией в разрезе, что и позволило сделать утверждение по данным МСП, что на глубинах 76–77 м располагается кровля сульфатов. По каким-то причинам при построении разреза кровля сульфатов была привязана к забою скважины, хотя, очевидно, скважина сульфаты не вскрыла.
Значения скоростей Vp в скальных породах составляют около 6000 м/с, но при внимательном рассмотрении можно увидеть, что в интервале 73–74 м (указатель 3) имеется слой со скоростью менее 5500 м/с. Учитывая выявленное ранее на основе анализа лабораторных данных разделение гипсов и ангидритов по скоростям Vp (рис. 8), было выполнено определение типа грунта по геофизическим данным: в толще ангидритов находился прослой гипса. Аналогичное чередование слоев сульфатов было выявлено и на соседних участках непосредственно по данным бурения, что фактически можно расценивать как подтверждение правильности выполненного разделения.
Далее отдельно для интервалов ангидритов и гипсов к значениям скоростей Vp были применены корреляционные зависимости Rc(Vp), которые позволили получить разрез Rc межскважинного пространства.
Поскольку разрез выше кровли сульфатов был представлен слоями глин и продуктов разрушения карбонатов, на которых не определялись значения Rc на образцах, то и пересчет скоростей Vp в Rc выше кровли сульфатов не производился.
Выводы и рекомендации
Метод межскважинного сейсмоакустического просвечивания является эффективным способом контроля качества закрепления карстующихся грунтов, в особенности для локальных участков типа описанных выше опор моста. Метод позволяет изучать особенности геологического строения, выделять неоднородности. В отрыве от других методов исследования по значениям скоростей Vp позволяет выделять сохранные скальные горные породы.
Комплексирование с лабораторными исследованиями керна с привлечением ультразвуковых измерений позволяет переходить от значений скорости Vp к физико-механическим свойствам, например к пределу прочности на одноосное сжатие Rc. Аналогичным образом могут быть получены корреляции между Vp и модулем деформации Eдеф или, например, плотностью грунта.
Для обеспечения достаточной точности определения скоростей Vp для пересчета в Rc необходимо ограничивать расстояние между скважинами МСП величиной в 10–15, максимум до 20 м. В общем случае чем меньше расстояние между скважинами, тем точнее определение скоростей и дифференциация по границам разных пород (ИГЭ). Как правило, для целей контроля качества расстояние между скважинами в 10 м является достаточно большим в сравнении с размерами закрепляемой области грунта, то есть плоскость просвечивания формирует репрезентативный объем изучаемого пространства.
При определении физико-механических свойств по данным МСП, особенно при близком расположении скважин и/или при большой их глубине, рекомендуется выполнять инклинометрию в скважинах для определения фактических координат точек ПВ и ПП при съемке МСП. Из практики авторов, отклонение ствола скважины глубиной 30 м на 1–2 м от вертикали является вполне частым событием. Несложно посчитать, что при расстоянии между устьями таких скважин в 10 м фактическое расстояние между их забоями может варьировать от 6 до 14 м в зависимости от того, куда отклонится каждая скважина. Очевидно, что определение скоростей при отсутствии инклинометрии будет осуществляться с очень большой ошибкой, которая будет тем больше, чем глубже скважины и чем ближе они расположены друг к другу.
Использование поперечных волн для описанных задач потенциально даст еще более надежный результат, особенно в случае, если при закреплении не ставится цель создать сплошной грунтоцементный массив породы, напоминающий по характеристикам скальную породу, то есть закрепленный грунт остается низкоскоростным. В таком случае ожидается, что поперечные волны будут более информативны. Однако стоит учитывать многократно возрастающие временные и финансовые затраты на такие исследования, требования к цементации затрубного пространства геофизических скважин, а также большие сложности с генерацией и регистрацией поперечных волн. Все это делает использование поперечных волн для контроля качества закрепления целесообразным только на самых ответственных сооружениях, например на АЭС.
Оптимальный комплекс работ для выполнения контроля качества закрепления карстующихся пород представляется авторам следующим:
-
отбор, описание и фотофиксация промытого керна;
-
лабораторные исследования керна, включая ультразвуковые измерения для определения связи между физико-механическими и упругими свойствами грунтов;
-
межскважинное сейсмоакустическое просвечивание на продольных волнах;
-
инклинометрия скважин для МСП;
-
индукционный и гамма-каротаж для дифференциации пород в условиях естественного залегания.
Представленный комплекс позволяет изучить межскважинное пространство, выполнить фактическое разделение разреза на ИГЭ по комплексу данных, выполнить расчет физико-механических свойств грунтов, выделить участки некачественного закрепления.
Рекомендуется также выполнение нулевого цикла испытаний – МСП до инъекций цемента. Повторная съемка в тех же скважинах по той же методике позволила бы продемонстрировать изменение характеристик грунтов в пространстве после противокарстовых мероприятий. К сожалению, в ходе описанных работ нулевой цикл отсутствовал, но он авторам видится весьма информативным.
При значительных объемах работ существенной проблемой может стать скорость геологического бурения. В сложных геологических условиях регионов с развитыми карстовыми процессами скорость бурения стандартным буровым станком с отбором керна составляет около 10–15 м в сутки без учета аварий, что является крайне низким показателем. При выполнении работ на одном из участков бурение с отбором керна выполнялось только на части скважин, основной объем бурения производился строительными буровыми станками без отбора керна со скоростью до 60–70 м в сутки. В случае использования комплекса геофизических методов такой подход вполне оправдан, так как на редких скважинах с отобранным керном может быть выполнена калибровка геофизических показателей с дальнейшим их применением к скважинам без отбора, как это было продемонстрировано на рисунке 9.
Опыт выполненных в период 2022–2024 гг. работ на нескольких участках строящейся скоростной автомагистрали М-12 «Восток» показал, что контроль качества закрепления грунтов с применением комплекса методов, включающего МСП, может быть выполнен быстро, эффективно и с высокой точностью.
Благодарности
Авторы статьи выражают благодарность коллективу ГК «Автодор» и лично Гуглеву В. В. и Беспрозванных В. М., а также коллективу ООО «Автодор Инжиниринг» и лично Серегину Д. Н. и Шарапову А. А. за консультации и содействие при выполнении работ.
1. Болгаров А. Г. Межскважинная сейсмическая томография для решения инженерно-геологических задач / Болгаров А. Г., Рослов Ю. В. // Технологии сейсморазведки. – 2009. – № 1. – С. 105–111.
2. Галушкин И. В. Межскважинное сейсмическое просвечивание – важный инструмент инженерно-геологических изысканий на площадках строительства объектов повышенной ответственности / Галушкин И. В., Кухмазов С. У., Рагозин Н. А. // Инженерные изыскания. – Том XV. – № 1–2. – С. 62–75. – DOI:https://doi.org/10.25296/1997-8650-2021-15-1-2-62-75.
3. Галушкин И. В. Опыт применения сейсмоакустических методов исследования для построения детальной модели среды при проектировании особо ответственных объектов атомного строительства / Галушкин И. В., Рагозин Н. А., Стенин Д. В. [и др.] // Инженерные изыскания. – 2018. – Том XII. – № 11–12. – С. 52–62. – DOI:https://doi.org/10.25296/1997-8650-2018-12-11-12-52-62.
4. Ефимова Е. А. Сейсмическая томография. / Ефимова Е. А. – Москва: Изд-во МГУ, 2005. – 129 с.
5. Миндель И. Г. Особенности изучения деформационно-прочностных свойств дисперсных грунтов сейсмоакустическими методами / Миндель И. Г., Севостьянов В. В., Трифонов Б. А. [и др.] // Геоэкология. – 2016. – № 5. – С. 461–476.
6. Карта воздействия карстово-суффозионных процессов на населенные пункты и хозяйственные объекты на территории Российской Федерации в 2006 г. / сост. Маркарьян В. В., Корнилова Н. А.; Федеральное агентство по недропользованию ФГУГП «Гидроспецгеология», 2007.
7. Нолет Г. Сейсмическая томография с приложениями в глобальной сейсмологии и разведочной геофизике / Нолет Г., Чепмен К., Тарантола А. [и др.]. – Мир, 1990. – 415 с.
8. Ошкин А. Н. Метод межскважинного сейсмоакустического просвечивания как инструмент детального изучения разреза / Ошкин А. Н., Вязниковцев А. А., Игнатьев В. И. // Приборы и системы разведочной геофизики. – 2024. – 2(81). – С. 43–53.
9. Ошкин А. Н. Межскважинное сейсмическое просвечивание - опыт, методология, аппаратура. / Ошкин А. Н., Рагозин Н. А, Игнатьев В. И. [и др.] // Приборы и системы разведочной геофизики. – 2016. – № 3(57). – С. 37–47.
10. Савич А. И. Сейсмические методы изучения массивов скальных пород / Савич А. И., Коптев В. И., Никитин В. Н. [и др.]. – Москва: Недра, 1969. – 240 с.
