Геотехнический мониторинг транспортных тоннелей трассы «Адлер – Красная Поляна»

В настоящее время оценка технического состояния транспортных тоннелей осуществляется на основании инструкций и методических рекомендаций.

LMGT_adler-sochi

Источник: company.rzd.ru

Состав работ по надзору включает визуальные осмотры и геодезическо-маркшейдерские наблюдения состояния конструкций тоннелей с заданной периодичностью, не позволяющие ответить на вопрос о причинно-следственной связи выявленных нарушений с происходящими процессами в работе системы «обделка – вмещающий массив», вызванных техногенными или природными процессами. Такую информацию можно получить только при наличии контрольно-измерительной аппаратуры в теле самой обделки [2]. Опыт строительства транспортных тоннелей показывает, что идеальной схемой для контроля напряженно-деформированного состояния обделки, является оснащение обделки контрольно-измерительной аппаратуры в составе горно-экологического мониторинга при строительстве тоннелей [3].

Реализация горно-экологического мониторинга при строительстве транспортных тоннелей трассы Адлер – Красная Поляна являлась несомненно сложной и уникальной задачей, по результатам Которой осуществлялась корректировка проектных решений. Основной объем работ приходился на выполнение инструментальных геомеханических, геофизических, сейсмологических, гидрогеологических, геодезическо-маркшейдерских и экологических наблюдений.

Исследования велись как по временным профилям и точкам наблюдений 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).

Безусловно наиболее сложные участки, выявленные по трассе тоннелей при строительстве, являются потенциально опасными и при эксплуатации. Но как контролировать такие участки при эксплуатации, можно ли полагаться только на визуальные осмотры? Ведь и практики передачи информации от строительной организации в эксплуатирующую организацию о «сложных» участках строительства нет.

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.

Sboika Sochi-Adler

Сбойка тоннеля № 7 «бис» на участке Сочи — Адлер. Источник: company.rzd.ru

Для этого к моменту окончания строительства была установлена и запущена в эксплуатацию вся контрольно-измерительная 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.


Система ГТМ на всех тоннельных участках трассы Адлер – Красная Поляна входит в состав АСУ ТП и состоит из:

  • оценки устойчивости системы «обделка – вмещающий массив» методом ЕЭМИ;
  • контроля НДС обделок с помощью тензометров;
  • контроля состояния системы «обделка – вмещающий массив» по данным регистрации сейсмических колебаний с помощью сети сейсмостанций.

В период эксплуатации в зонах активных разломов аварии могут происходить под влиянием накопления остаточных (трендовых) деформаций или импульсных короткопериодных движений различной частоты и интенсивности, в том числе от местных землетрясений, взрывов и часто повторяющихся нагрузках типа вибрационных от транспорта. В связи с этим важным условием обеспечения геодинамической безопасности транспортного тоннеля является своевременное выявление и определение уровня деформационного воздействия на данный объект, и сравнение этого воздействия с нормативным (пороговым) значением его деформационной устойчивости.

По комплексу данных приведенных выше исследований 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 +5оС). На рисунке 1 в качестве примера приведен график временных изменений напряжений за период наблюдений 13.05.2013 г. по 23.03.2022 г., на котором четко прослеживаются сезонные изменения напряжений и тренд (за последние 5 лет порядка 0,5 МПа/год);
LMGT

Рисунок 1. Изменения напряжений на наружном контуре обделки железнодорожного тоннеля №1 на ПК 169+41 трассы Адлер – Красная Поляна за время эксплуатации.

  • Короткопериодных природных (землетрясения, оползни и т.п.) и техногенных воздействий (взрывы, вибрации при движении транспорта и др.).

Если первое явление в настоящее время хорошо знакомо, то исследования о влиянии вибрационных нагрузок от транспорта и их негативное воздействие на состояние конструкций обделок тоннелей практически не изучено и не изложено в научно-технической литературе [6].

Вибрационная нагрузка от проезда поездов возбуждает колебания в обделке и прилегающей к ней массе грунта. В условиях, когда на контакте обделки с грунтом существует полость или разуплотнение грунта значительных размеров, то в этом месте элемент обделки при возбуждении в нем колебаний будет испытывать свободные колебания, как в мембране и такие колебания будут затухать быстрее, чем в случае, когда обделка плотно соприкасается с массивом грунта. В практике акустического контроля границы «обделка-грунт» такое поведение колебаний связывают с явлением резонанса [7].


Резонанс — это явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, которое наступает при совпадении частоты собственных колебаний наблюдаемой системы с частотой колебаний вынуждающей силы.


Известно, что вибрационный контроль широко применяется для диагностики состояния различных машин, механизмов [7] и может быть эффективным методом оценки качества обделок тоннелей. Ускорения, регистрируемые акселерометрами в тоннелях, позволяют оценить сейсмические воздействия от землетрясений и вибрационные нагрузки от поездов. Вибрационный контроль состояния обделки тоннеля с использованием обработки акселерограмм вибраций методами спектрального анализа позволяет выявить частотный и амплитудный состав колебаний, а графическое изображение вибрационного сигнала в виде спектрограмм можно использовать для контроля изменений НДС в системе «обделка – массив горных пород».

По данным исследований [8] было установлено, что хороший контакт обделки с грунтом характеризуется малой начальной амплитудой колебаний и быстрым их затуханием. При плохом контакте амплитуды в начале колебаний имеют высокие значения и колебания затухают заметно дольше. На рисунке 2 показан пример колебаний в обделках при хорошем и плохом контакте обделки с грунтом.

LMGT

Рисунок 2. Пример записей колебаний в обделках при хорошем (слева) и плохом контакте (справа) обделки с грунтом [8].

Вибрационные нагрузки на секционный тип обделки тоннеля № 3 трассы «Адлер – Красная Поляна» изучались в пунктах автоматической регистрации виброускорений, расположенных в зонах тектонических нарушений на ПК 239+74 (разлом мощностью 8 м) и ПК 240+29 (разлом мощностью 218 м) с 2014 по 2022 гг. Поезда электричек практически были одного и того же состава и с примерно одинаковой скоростью движения.

Для примера на рисунке 3 приведена Z компонента акселерограммы (ускорения колебаний в обделке в вертикальном направлении) и её спектр на ПК 239+74. По записям акселерограмм определялись длительность колебаний и максимальные амплитуды. На графиках спектров оценивались частоты соответствующие их максимальным уровням.

LMGT

LMGT


Рисунок 3. Акселерогамма Z компоненты и график спектра сигнала (нижняя часть) при прохождении поезда на ПК 239+74 (3 железнодорожный тоннель)

Наиболее сложная форма спектров отмечается по горизонтальным компонентам колебаний X и Y. По компонентам Х на спектрах, полученных по записям акселерограмм на ПК 239+74 в разломе мощностью 8 м, за период наблюдений содержится большее число гармоник, чем по тем же компонентам на ПК 240+29 в разломе мощностью 218 м. Данный результат может быть связан с особенностями проявлений резонанса вибраций в секциях обделки на разломах разной мощности.

Более простой вид имеют спектры колебаний по компонентам Z (рисунок 3) большей частью с четко выраженным максимумом в десятки и сотни Гц. Из результатов следует, что по данной компоненте частоты максимумов спектров в целом выше на разломе меньшей протяженности.


На основании АЧХ характеристик изученных акселерограмм за весь период наблюдений на указанных пикетах и результатов работ [8, 9] можно сделать следующие предварительные выводы:

  •  максимум на спектрах по компоненте Z на ПК 239+74 (пункт регистрации в обделке на разломе мощностью 8 м) приходится на частоты порядка и 300 Гц и более, что характеризует хорошие условия контакта обделки с грунтом. На ПК 240+29 (в обделке на разломе мощностью 218 м) максимум на спектрах большей частью смещен в сторону низких частот 50-60 Гц и тогда получается, что условия контакта обделки с массивом здесь плохие;
  • форма акселерограммы т-акже зависит от качества контакта обделки с породой: при хорошем контакте на акселерограмме колебания имеют резкие вступления и быстро затухают. При плохом контакте амплитуда колебаний до 0.2g и более, запись содержит характерные цуги (пачки) сопоставимые с количеством вагонов с длительным затуханием;
  • при вибрационном возбуждении колебаний в обделке тоннеля возникает широкий спектр частот от десятков до нескольких тысяч герц и это является преимуществом при обнаружении и выделении неоднородностей (дефектов разных размеров) в системе «обделка – массив горных пород», которые определяются по резонансному отклику на вибрации. Важно, что данная система «обделка – массив» по-разному реагирует на воздействия, в зависимости от того насколько высоко ее напряженно-деформированное состояние и какие размеры дефектов в ней имеются;
  • большее значение при анализе спектров имеет амплитуда первой гармоники;
  • амплитуды гармоник уменьшаются с увеличением их числа;
  • большое количество гармоник на спектре указывает на присутствие многих повреждений в обделке;
  • увеличение числа боковых полос на спектрах долговременных наблюдений свидетельствует о развитии повреждений в обделке;
  • одним из признаков наличия значительных повреждений в конструкциях является присутствие в спектре виброускорений со значениями больше 1g = 9.8 м/с2

В заключении можно сказать, что в геотехническом мониторинге с точки зрения эксплуатации особую роль играет прогноз состояния системы «обделка тоннеля — вмещающий массив» на основе автоматически формируемой базы данных. Отсутствие заинтересованности организаций, эксплуатирующих тоннели, в такой системе объясняет их недальновидностью, ведь обработка результатов колоссальной по объемам базы данных важна не только для научного прогресса, она имеет большую практическую ценность для безопасной эксплуатации искусственных сооружений.


Список литературы:

  1. ОДМ 218.3.003-2010 «Методические рекомендации по содержанию автодорожных тоннелей».
  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. 2019г. №7, с. 20-25.
  3. Безродный К.П., Гендлер С.Г., Исаев Ю.С., Лебедев М.О., Иофис М.А. О методическом руководстве по комплексному горно-экологическому мониторингу при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей. Труды международной научно-технической конференции «Основные направления развития инновационных технологий при строительстве тоннелей и освоении подземного пространства крупных мегаполисов. Москва, 2010г. — с. 18-20.
  1. Безродный К.П., Культин И.В., Лебедев М.О. Автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУ ТП) в железнодорожных тоннелях Олимпийской трассы. Наука и транспорт, 2009. № 1, 24-26.
  1. Безродный К.П., Лебедев М.О., Горно-экологический мониторинг при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей Северного Кавказа. 2014. Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ». Выпуск 5 (24).
  2. Аварийные ситуации при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей и метрополитенов./С.Н. Власов, Л.В. Маковский, В.Е. Меркин при участии А.Э. Куплиса, В.Ф. Сарбеева, В.В. Торгаелова. – М.:ТИМР, 2000, с. 198.
  1. ГОСТ Р ИСО 13373-2-2009. Контроль состояния и диагностика машин. Вибрационный контроль состояния машин. Часть 2. Обработка, анализ и представление результатов измерений вибрации. – М.:Стандартинформ, 2010.
  1. Вознесенский А.И., Набатов В.В., Симонов Н.Н., Ромащенко В.А. Опыт акустического контроля границы «обделка-грунт» тоннелей метрополитена. //Горный информационно-аналитический бюллетень, 2011, №9, с. 201-207.
  1. Басов А.Д., Романевич К.В., Андрианов С.В., Шляев С.А. Натурные исследования естественного электромагнитного излучения при вибрационных нагрузках. //Геотехника, т. XII, №3, 2020, с. 70-83.

Расскажите о нашей статье своим друзьям,
поделившись ссылкой в социальной сети

Комментарии (0)

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Настоящим подтверждаю, что я ознакомлен с политикой конфиденциальности
и согласен на обработку персональных данных. Подробнее

Наверх