Долгосрочный геотехническим мониторинг в тоннелях как инструмент прогнозирования

Специалистами ОАО НИПИИ «Ленметрогипротранс» разработана и внедрена автоматизированная система комплексного геотехнического мониторинга транспортных тоннелей трассы Адлер-Красная поляна.

Здание Ленметропроекта, ныне ОАО «Ленметрогипротранс». Источник: ОАО «Ленметрогипротранс»

Учитывая долгосрочность осуществляемых наблюдений (c 2013 года по настоящее время), можно говорить о создании полноценной информационной базы для прогнозирования геомеханических процессов.

В любой области технической науки для того, чтобы отличать годовые естественные колебания от долго­временных тенденций тех или иных процессов, предпо­чтительно производить долгосрочный мониторинг. Реа­лизация долгосрочных натурных наблюдений не всегда физически осуществима, поэтому для многих наблюдае­мых явлений прогнозирование часто бывает затруднено.

Весьма распространены реальные природные процессы, когда регистрируемые показания год от года достаточно сильно меняются. Достоверно определить, действительно ли в настоящий момент развитие некоего процесса обо­стрилось или именно текущий год отличается естествен­ным циклическим ростом критических показателей, без многолетних данных практически невозможно. Некоторые изменения в природе могут на много лет отставать от своих первопричин, поэтому для их понимания необходимо выяв­ление всей цепочки событий в наблюдаемых системах [1]. С этой точки зрения создание автоматизированной си­стемы комплексного геотехнического (горно-экологиче­ского) мониторинга транспортных тоннелей трассы Ад­лер — Красная Поляна является несомненно уникальной и важной научно-технической задачей. Регистрируемая информация по комплексу методов позволяет получать статистически значимые результаты по цикличности разного рода и трендам геофизических и геомеханиче­ских процессов во вмещающих массивах различного со­става с учетом особенностей в конструкциях тоннелей. Учитывая долгосрочность наблюдений (геотехнический мониторинг ведется с 2013 года по настоящее время), можно говорить о создании полноценной информацион­ной базы для прогнозирования геомеханических процес­сов и явлений во вмещающих массивах и строительных конструкциях тоннелей трассы Адлер — Красная Поляна.

Создание системы геотехнического мониторинга

Разработанный по специальной методике [2] горно-эко­логический мониторинг на тоннелях трассы Адлер — Крас­ная Поляна осуществлялся с первого дня их строитель­ства, но сначала в ручном режиме. Основной объем работ приходился на выполнение инструментальных геомеха­нических, геофизических, сейсмологических, гидрогеоло­гических, геодезическо-маркшейдерских и экологических наблюдений. Исследования велись как по временным профилям и точкам в горных выработках и на поверхно­сти, так и по системе устанавливаемых по мере проходки тоннелей постоянных датчиков разного типа, которые мон­тировались с учетом геологических особенностей трассы (литологические разности, тектонические нарушения, раз­ломы). На основе получаемых данных осуществлялась корректировка проектных решений [3].

Для обеспечения безопасной эксплуатации тоннелей специалистами ОАО НИПИИ «Ленметрогипротранс» была разработана и внедрена система геотехнического мониторинга (ГТМ) на основе непрерывного контроля важных параметров системы «обделка — вмещающий массив». Сбор информации происходит в режиме реаль­ного времени с возможностью прогнозирования техни­ческого состояния основных конструкций тоннелей, что подразумевает оперативный контроль за негативными (техногенными и природными) воздействиями на соору­жения и определение качественных и количественных показателей их влияния на конструкции, а также онлайн-оценку геодинамической активности системы «обделка — вмещающий массив» для прогнозирования изменений напряженно-деформированного состояния (НДС) пород вблизи подземных выработок на всем их протяжении.

Для этого к моменту окончания строительства была установлена и запущена в эксплуатацию вся контрольно­измерительная аппаратура, выполнена синхронизация всех установленных в конструкции датчиков, налажена регистрация измеряемых параметров в автоматическом режиме и разработан программный комплекс, способ­ный решать поставленные задачи с дальнейшей переда­чей информации диспетчеру на пульт управления [4].

Система ГТМ на всех тоннельных участках трассы Ад­лер — Красная Поляна входит в состав АСУ ТП и, в свою очередь, состоит из следующих систем:

• система мониторинга естественного электромаг­нитного излучения (ЕЭМИ);
• система контроля НДС обделок с помощью тензоме­тров;
• система регистрации сейсмических колебаний с по­мощью сети сейсмостанций.

На рис. 1 показаны примеры оснащения различных типов обделок тоннелей трассы Адлер — Красная По­ляна контрольно-измерительной аппаратурой в составе горно-экологического мониторинга (ГТМ).

Рис. 1. Примеры оснащения контрольно-измерительной аппаратурой постоянной обделки железнодорожных тоннелей в составе горно- экологического мониторинга для контроля напряженно-деформированного состояния конструкций (датчики НДС) и вмещающего массива (датчики регистрации естественного электромагнитного излучения (ЕЭМИ)

Информация с контрольно-измерительной аппарату­ры девяти тоннелей трассы поступает на серверы мони­торинга в диспетчерской, где обрабатывается, визуали­зируется и поступает в банк данных.

Регистрация параметров по автоматизированной системе ГТМ

По комплексу данных, получаемых с систем монито­ринга в автоматическом режиме, устанавливаются и отслеживаются накопления остаточных деформаций в обделках тоннелей за счет:

• сезонных и суточных изменений напряжений (годо­вые колебания температуры в обделке тоннеля в среднем составляли +5°С). На рис. 2 в качестве примера приведен график временных изменений напряжений за период наблюдений с 13.05.2013 по 23.03.2022, на котором чет­ко прослеживаются сезонные изменения напряжений и тренд (за последние 5 лет — порядка 0,5 МПа/год);
• короткопериодных природных (землетрясения, ополз­ни и т. п.) и техногенных воздействий (взрывы, вибрации при движении транспорта и др.).

Вибрационные нагрузки на разные типы обделок тон­нелей трассы Адлер — Красная Поляна контролируются в пунктах автоматической регистрации виброускорений, расположенных, как правило, в зонах тектонических нарушений [5]. На рис. 3 в качестве примера приведе­на единичная акселерограмма и ее спектрограмма при проезде поезда по одной компоненте (X).

Рис.2 Изменения напряжений на наружном контуре обделки железнодорожного тоннеля №1 ПК 169+41 трассы Адлер-Красная поляна за время эксплуатации

Рис.3 Акселерограмма и ее спектрограмма при проезде поезда в районе расположения пункта автоматической регистрации виброускорений (компонента X)

Еще одним видом контроля в системе КГМ является мониторинг естественного электромагнитного излуче­ния горных пород (ЕЭМИ), параметры которого тесно связаны с изменениями напряженно-деформированно­го состояния (НДС) в системе «обделка — вмещающий массив». В работе [6] предприняты попытки поиска прогнозных критериев сейсмособытий по данным автоматизиро­ванной системы комплексного геотехнического монито­ринга в тоннелях трассы, подробно рассмотрен случай регистрации ЕЭМИ при достаточно мощном землетря­сении (mb = 4,7) 30.05.2012.

Аналогичный случай реакции параметров ЕЭМИ на землетрясение приведен на рис. 4. Показаны ночные и дневные интервалы измерений по одной из замерных станций автоматизированной системы комплексного геотехнического мониторинга. В период с 3:57 по 4:01 01.09.2020 отмечен аномальный спад значений пара­метра «А» в момент реализации землетрясения с mb = 4,3 на удалении от места регистрации до 100 км в 3:59 по местному времени. В дневное время колебания па­раметра связаны с движением электричек. Измерения ведутся 1 раз в 4 мин.

Рис.4 Реакция относительного амплитудного параметра «Анорм» на землетрясение 01.09.2020 (измерения ЕЭМИ по автоматизированной системе ГТМ)

Вопрос стабильной регистрации ЕЭМИ во время зем­летрясений еще, конечно, далеко не решен: например, не понятно, почему иногда сейсмособытия отражаются в поле ЕЭМИ, а иногда нет; почему могут быть зарегистри­рованы некоторые дальние землетрясения, а события в ближней зоне могут никак не отражаться при регистра­ции ЕЭМИ и др. В целом нестабильность фиксации сейс­мособытий отмечается всеми исследователями, рабо­тающими в данном направлении, и здесь вопросов пока значительно больше, чем ответов.

Комплексная интерпретация данных по системе ГТМ

Важным этапом системы автоматизированного гео­технического мониторинга тоннелей трассы Адлер — Красная Поляна является комплексная интерпретация регистрируемых данных. В качестве примера можно привести результаты долгосрочной регистрации ЕЭМИ, НДС и температуры воздуха для одного опытного участ­ка в железнодорожном двухпутном тоннеле №6 подко­вообразного очертания общей длиной 433 метров. На рассматриваемом участке на ПК 453+08 (223 метров от южного портала) установлены датчики НДС, на ПК 453+28 (243 метров от южного портала) — датчики ЕЭМИ. Глу­бина сечения ~ 38 метров.

Участок полностью расположен в делювиальных от­ложениях, представленных углистыми алевросланцами. Состояние горных пород — от сильнотрещиноватых до раздробленных, в большей массе перемятых, местами перетертых по терщиноватости и сланцеватости. От сла­боустойчивых до совершенно неустойчивых. Водоприток умеренный. Коэффициент по Протодьяконову 0,8-1,5 -70% , 1,5-2,5-30%.

На рис. 5 представлены результаты совместной обра­ботки данных ЕЭМИ и НДС системы «обделка тоннеля — вмещающий горный массив» по первому участку в железнодорожном тоннеле №6. Показан временной ин­тервал измерений с декабря 2013 по февраль 2021 года. Также приведены графики температуры воздуха по двум метеорологическим станциям: 1 (в начале трассы тоннелей) — в Сочи (Краснодарский край): широта 43,58, долгота 39.77, высота над уровнем моря 132 метров, 2 (в окончании трассы тоннелей) — в Красной Поляне (Краснодарский край, Россия): широта 43.68, долгота 40.20, высота над уровнем моря 567 метров.

Рис.5 Результаты совместной обработки данных ЕЭМИ и НДС по первому участку (железнодорожный тоннель №6)

Информация о температуре приведена по данным спра­вочно-информационного портала «Погода и климат». Для графиков НДС и температуры воздуха проведены линии тренда.
Температурные колебания значений по датчикам НДС за показанный период находятся в пределах 1-2 МПа с четко выраженной сезонностью. Прослеживается без­условная прямая зависимость регистрируемых данных от температуры воздуха (и соответственно температу­ры тоннельной обделки). Это объясняется процессами сезонного сжатия и растяжения струн в измерительных струнных тензодатчиках.

По линиям тренда для датчиков НДС можно сделать вывод о плавном увеличении напряжений в обделке с последующей стабилизацией. В начале эксплуатации напряжения в монолитной железобетонной обделке тоннеля развиваются интен­сивнее. Анализируя графики ЕЭМИ можно заметить, что се­зонные колебания ЕЭМИ идентичны в течение всего периода наблюдений, но отличаются по интенсивно­сти в начале измерений. Это объясняется тем, что в начале эксплуатации тоннель и вмещающий массив приходят в равновесие. Накопленных зарядов на бортах микротрещин, микродефектов, микронеодно­родностей, трещиноватости больше, и первое время происходит их активная компенсация. На высокую интенсивность ЕЭМИ в начале эксплуатации тоннеля влияет и тот факт, что обделка выполнена из монолит­ного железобетона. А также то, что в начале эксплуа­тации напряжения в монолитной железобетонной об­делке тоннеля развиваются интенсивнее. Далее с декабря 2017 года по настоящее время на­блюдается стабилизированный ход ЕЭМИ с выдер­жанными по интенсивности и частоте минимумами и максимумами.

В начале измерений минимумы ЕЭМИ достаточно четкие, с 2017 года — растянуты на несколько месяцев. Минимумы ЕЭМИ наблюдаются: в январе 2014, ян­варе 2015, январе 2016 гг.; с декабря 2016 — января 2017 по июнь 2017 года; с января по май 2018 года; с ноября 2018 по июнь 2019 года; с января по июнь 2020 года.

То есть минимумы ЕЭМИ в начале измерений доста­точно четко совпадают с минимумами температур, а после трех лет эксплуатации растягиваются с мини­мума температур до начала лета.

На графиках ЕЭМИ наблюдаются также локальные и основные максимумы: в марте-апреле 2014 года — локальный; в августе 2014 года — основной; в февра­ле-апреле 2015 года — локальный; в августе 2015 года — основной; в мае-июне 2016 года — локальный; в ию­ле-августе 2016 года — основной; в январе 2017 года — локальный; в августе 2017, августе 2018, августе 2019, августе 2020 года.

Локальные максимумы ЕЭМИ связываются с рез­ким перепадом температур, основные максимумы — с максимальными температурами.Поскольку для регистрации используются антенные блоки, изготовленные из термостабильного феррита, была выдвинута гипотеза о том, что наблюдаемая связь ЕЭМИ с температурой — не прямая, а опосредо­ванная через изменение характеристик прилегающих к выработке горных пород — а именно через процес­сы их сжатия и растяжения, ведущие к смыканию и размыканию существующих в них микродефектов и микротерщиноватости (рис. 6). Так, предполагается, что в стабильном сжатом со­стоянии фиксируются минимумы импульсов ЕЭМИ (1), при растяжении массива и материала обделки происходит разделение зарядов на бортах микроде­фектов (2) и нарастание ЕЭМИ (3), полное разделение бортов микродефектов приводит к прекращению ин­тенсивного ЕЭМИ (4). Данный процесс протекает в об­ратную сторону при сжатии микродефектов и микро­трещиноватости в массиве горных пород.

Рис. 6 Схема возникновения ЕЭМИ при сжатии и растяжении микродефектов в материалах строительных конструкций и вмещающем массиве горных пород

Периоды сжатия и растяжения тесно связаны с температур­ными колебаниями, в связи с этим возникает сезон­ность ЕЭМИ [7]. На различных опытных участках и для разных ти­пов тоннельной обделки выявлено, что связь эта не прямая и не постоянная — она может зависеть от структурного состава вмещающих горных пород, ма­териалов и конструкций обделок тоннелей, различных механизмов смыкания и размыкания микродефектов для конкретного вмещающего массива и др. Для бо­лее уверенных выводов необходимо продолжение анализа данных по автоматизированной системе геотехнического мониторинга тоннелей. Следует бо­лее подробно изучить вопросы возникновения и раз­вития цикличности и сезонности в данных ЕЭМИ, в том числе и их связи с наземными измерениями по региональной сети. Провести детальную обработку мониторинговых данных методами математической статистики. Выявить количественные взаимосвязи параметров ЕЭМИ и НДС. Проследить реакции ЕЭМИ на землетрясения на различных участках и др.

Выводы

Выявление стабильной цикличности регистриру­емых параметров, соответствующей нормальному функционированию систем «обделка тоннеля — вмещающий горный массив», является подтверж­дением возможности контроля геомеханических процессов и явлений в горных породах и тоннель­ных конструкциях. Регистрируемая информация по комплексу мето­дов позволяет получать статистически значимые ре­зультаты по цикличности разного рода и трендам геофизических и геомеханических процессов во вме­щающих массивах различного состава с учетом осо­бенностей в конструкциях тоннелей. Учитывая дол­госрочность наблюдений, можно говорить о создании полноценной информационной базы для прогнози­рования геомеханических процессов и явлений во вмещающих массивах и строительных конструкциях тоннелей трассы Адлер — Красная Поляна.

Список литературы:

1. Грин Н., Стаут У, Тейлор Д. Биология: в 3-х томах / Пер. с англ. — М.: Мир, 1995.
   Методическое руководство по комплексному горно-экологическому мониторингу при строительстве и эксплуатации транспортных тон­нелей. — М.: УРАН ИПКОН РАН, НИПИИ «Ленметрогипротранс», 2009.
2. Лебедев М.О., Безродный К.П., Шляев С.А. Геотехнический мониторинг как основа прогнозирования технического состояния обделки при эксплуатации транспортных тоннелей. — Путь и путевое хозяйство. 2019. №7, с. 20-25.
3. Безродный К.П., Культин И.В., Лебедев М.0. Автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУТП) в желез­нодорожных тоннелях Олимпийской трассы. — Наука и транспорт, 2009. № 1, с. 24-26.
4. Лебедев М.О., Басов А.Д., Шляев С.А., Романевич К.В. Геотехнический мониторинг транспортных тоннелей трассы «Адлер — Красная Поляна». — Сборник материалов международной научно-практической конференции ТЕОСОЧИ-2022. Тематическая сессия: «Современное состояние и перспективы развития инженерной геофизики» (27-29 апреля 2022 года), Сочи, 2022. С. 62-65.
5. Катаев С.Г, Лебедев М.О., Романевич К.В., Долгий М.Ю., Кулешов В.К., Шляев С.А. Поиск прогнозных критериев сейсмособытий по дан­ным автоматической системы комплексного геотехнического мониторинга в транспортных тоннелях Сочи // «Инженерная и рудная геофи­зика 2019» — Геленджик, Россия, 22-26 апреля 2019 г.
   Romanevich K.V., Lebedev М.О., Andrianov S.V., Mulev S.N. Integrated Interpretation of the Results of Long-Term Geotechnical Monitoring in Underground Tunnels Using the EMR Method. Foundations 2022,2,561 -580. https://doi.org/10.3390/foundations2030038.

Материал опубликован в журнале «Подземный горизонты» № 32