Регистрация естественного электромагнитного излучения горных пород в составе КГМ

В связи с интенсификацией подземного строительства в мире отмечен рост аварийных ситуаций в тоннелях.

Автор фото: © Дмитрий Калиновский / Фотобанк Лори

Для минимизации риска наряду с проведением качественных изысканий и выполнением оценки геологических условий в районе строительства тоннеля, а также применением надлежащих методов строительства  и технического обслуживания, одним из основополагающих принципов обеспечения безопасности тоннельных сооружений в период их строительства и эксплуатации является система геотехнического мониторинга.

В статье приводятся некоторые примеры систем геотехнического мониторинга в тоннелях мира при их строительстве и эксплуатации. Подробно рассмотрена автоматизированная система комплексного геотехнического мониторинга в г. Сочи. Основной акцент сделан на подсистеме регистрации естественного электромагнитного излучения горных пород. Приведены примеры анализа комплексных данных долгосрочного мониторинга для двух характерных участков, а также интерпретация полученных результатов, в ходе которой предложена гипотеза о возникновении закономерной цикличности многолетних данных ЕЭМИ.

Так как метод ЕЭМИ является весьма чувствительным к геомеханическим процессам и явлениям в массивах горных пород, выявление стабильного многолетнего хода ЕЭМИ по системе датчиков в тоннелях является основой для прогнозирования возможных аварийных ситуаций.

Основными геологическими причинами обрушений в тоннелях являются камнепады, оползни, инфильтрация воды, сейсмическая активность, наличие трещиноватых зон в природном массиве, актуализация тектонических разломов и др. Обрушения могут быть вызваны нестабильностью породного массива, возникающей из-за природных факторов, таких как выветривание и эрозия, а также из-за техногенных факторов, таких как взрывные работы или строительство в условиях взаимного влияния.
В монографии [1] впервые систематизирована практически вся отечественная и зарубежная информация по аварийным ситуациям, имевшим место в горных, подводных и городских тоннелях, в том числе тоннелях метрополитенов до 2000 года. Проведена классификация аварий по определяющим признакам, установлены их причины, дана оценка эффективности мероприятий по ликвидации последствий аварий.

Вот несколько наиболее заметных обрушений в новейшей истории:

• в 2000 году массивный оползень вызвал обрушение железнодорожного тоннеля в Тауэрне, Австрия, что на несколько месяцев прервало железнодорожное сообщение.
  Причиной оползня стали сильные дожди 2000 года камнепад нанес ущерб дорожному покрытию тоннеля Лэрдал, Норвегия,и его электрическим системам. Событие
  было вызвано нестабильностью скального массива и наличием трещиноватых зон в породном массиве;
• в 2001 года в Швейцарии в результате сильного камнепада обрушилась часть железнодорожного тоннеля Сен — Готард, в результате чего 11 человек погибли и несколько получили ранения. Обрушение было вызвано сочетанием природных факторов, включая сложные геологические условия и проливные дожди;
• в 2007 года часть тоннеля Симплон, Швейцария обрушилась из-за нестабильности вмещающего массива в зоне разлома, что привело к значительным повреждениям железнодорожных путей;
• в 2000 года участок Шанхайского тоннеля обрушился из-за нестабильности вмещающего скального массива. Обрушение было вызвано наличием трещин и ослабленных зон, которые активизировались в процессе проходки горных выработок;
• в 2014 года часть тоннеля высокоскоростной железной дороги Гуйян — Гуанчжоу была временно закрыта из-за камнепада, повредившего конструкцию тоннеля и железнодорожные пути. Событие было связано с наличием в этом районе разуплотненных грунтов, которые были дестабилизированы при строительстве тоннеля;
• в 2016 года часть тоннеля высокоскоростной железной дороги ЧэндуЧунцин обрушилась из-за нестабильности окружающего скального массива. Обрушение было вызвано наличием высокой трещиноватости пород, которая усугубились в процессе проходки тоннелей;
• в 2018 года был временно закрыт эксплуатируемый тоннель ГонконгЧжухайМакао из за оседания грунта, вызванного обрушением естественной пещеры под тоннелем.

Это лишь некоторые примеры из множества аварий, произошедших в транспортных тоннелях по геологическим причинам. Такие инциденты приводят к значительным перебоям в транспортировке и требуют значительного времени и ресурсов для ремонта. Наряду с проведением качественных изысканий и выполнением оценки геологических условий в районе строительства тоннеля, а также применением надлежащих методов строительства и технического обслуживания, одним из основополагающих принципов обеспечения безопасности тоннельных сооружений в период их строительства и эксплуатации является система геотехнического мониторинга.

Рис. 1. Установка датчиков в блок обделки при его изготовлении (а), установка датчиков в арматурную арку при монтаже временной аркобетонной крепи в забое тоннеля (б), установка датчиков в двутавровую балку (в), установленные датчики (г)

Системы геотехнического мониторинга

В нашей стране для целей контроля уровня геотехнических рисков при строительстве, вводе в эксплуатацию, эксплуатации, реконструкции, восстановлении, консервации и ликвидации транспортных тоннелей в рамках мероприятий по обеспечению их безопасности применяется методика по комплексному горноэкологическому мониторингу транспортных тоннелей (ГЭМ) [2].

По данной методике производятся мониторинговые наблюдения как в ручном режиме сбора геотехнической информации с переносными приборами, так и по автоматизированным системам комплексного геотехнического мониторинга.

Аналогичные системы геотехнического мониторинга применяются в различных тоннелях мира. Вот несколько примеров:

• Швейцария: Готардский базовый тоннель оснащен обширной системой геотехнического мониторинга, включающей инклинометры, экстензометры и георадарные системы;
• Соединенное Королевство: в тоннеле под ЛаМаншем используется система геотехнического мониторинга, включающая инклинометры, наклономеры и датчики давления;
• Япония: тоннель Сейкан имеет комплексную систему геотехнического мониторинга, включающую инклинометры, наклономеры и сейсмографы. Эти системы используются для контроля устойчивости тоннеля и контроля влияния сейсмической активности;
• Тайвань: Taipei MRT использует геотехническую систему мониторинга, включающую инклинометры, наклономеры и тензометрические датчики.

В Китае также есть много примеров успешного применения систем мониторинга в тоннелях:

• в тоннеле ХаньчжоуЧжэнду была установлена система мониторинга, которая позволяла в реальном времени отслеживать изменения геотехнических условий в течение всего процесса строительства;
• в тоннеле ЛонгХайРоуд была установлена система мониторинга, которая включала в себя несколько технологий, таких как мониторинг деформаций, напряжений и геотехнических изменений. Эта система позволяла предупреждать о возможных проблемах в реальном времени и обеспечивала безопасность всех участников строительства;
• в тоннеле ШанхайХунань была установлена система мониторинга, которая включала в себя мониторинг геотехнических изменений, таких как изменения в пористости породы и напряжения в окрестности тоннеля в период строительства;
• в действующих тоннелях высокоскоростной железной дороги ИчанВаньчжоу, тоннелях ГонконгЧжухайМакао и ГуйянГуанчжоу установлена обширная система мониторинга, включающая инклинометры, наклономеры и тензометрические датчики;
• в тоннелях высокоскоростной железной дороги ЧэндуЧунцин и Шанхайском тоннеле используется система мониторинга, включающая инклинометры, наклономеры и сейсмографы.

Это всего лишь несколько примеров из множества систем геотехнического мониторинга, используемых в тоннелях в разных странах. Тип используемой системы мониторинга может варьироваться в зависимости от конкретных геологических условий района и конкретных особенностей тоннеля.

Автоматизированная система комплексного геотехнического мониторинга в городе Сочи

При подготовке инфраструктуры региона к проведению Олимпиады в городе Сочи была сооружена и введена в эксплуатацию совмещенная (автомобильная и железная) дорога Адлер – горноклиматический курорт «Альпика Сервис» общей протяженностью 48 км. Строительство выполнялось с 2008 по 2013 годы. За это время было возведено 14 тоннелей (шесть железнодорожных, три автодорожных и пять вспомогательных, общей длиной около 27 км – из них 10,3 км железнодорожных, 6,7 км автомобильных и около 10 км вспомогательных. С самого начала проходческих работ специалистами института ОАО «НИПИИ «Ленметрогипротранс» осуществлялись режимные наблюдения в составе горноэкологического мониторингах [2].

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 и др.). К концу 2013 года была установлена и запущена в эксплуатацию вся контрольно-измерительная аппаратура, выполнена синхронизация всех установленных в конструкции датчиков и налажена регистрация измеряемых параметров в автоматическом режиме.

Рис. 2. Размещение и коммутация систем ГТМ в тоннелях трассы Адлер – Красная Поляна: а – внешний вид сейсмостанции, б – внешний вид блока регистрации и передачи информации аппаратуры ЕЭМИ, в, г – коммутация систем ГТМ

Подсистема контроля НДС

Геомеханические исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород, крепей и обделок являются основой геотехнического мониторинга при строительстве и последующей эксплуатации транспортных тоннелей. Их результаты необходимы для оценки рисков и прогноза повреждений и разрушений конструкций обделок от высоких нагрузок при изменениях НДС, в том числе после землетрясений. Для контроля изменений напряженно-деформированного состояния конструкций тоннелей используются тензометры, работающие по принципу стандартных струнных датчиков.

Все они были установлены на этапе строительства и включались в работу сразу после возведения крепей и обделок (рис. 1).

В настоящее время все «Олимпийские» тоннели оснащены автоматизированными системами регистрации изменений напряженно-деформированного состояния обделок тоннелей, фиксации естественного электромагнитного излучения и системами сейсмического мониторинга (рис. 2 и 3).

Подсистема сейсмического мониторинга

Все тоннельные участки трассы лежат в зоне сейсмичности 8 баллов, местами с неблагоприятными инженерно-геологическими условиями. Согласно инструкции [3] тоннели в районах с сейсмичностью 8 и более баллов оборудуются инженерно-сейсмометрическими станциями для записи смещений, скоростей и ускорений элементов обделки и окружающего массива во время землетрясения. В каждом тоннеле трассы Адлер – Красная Поляна установлена аппаратура для непрерывной записи сейсмического сигнала по трем компонентам (х, у, z). Сигнал разделяется на 5секундные блоки, сравнивается с максимально возможными амплитудами ускорений в соответствии с MSK64 для 3, 6, 9 и более балльного землетрясения. В настоящее время на базе сейсмической системы развернута служба по неразрушающему контролю за состоянием основных конструкций тоннелей на основе анализа возмущений, вызванных потоком транспорта.

Рис. 3. Расположение отдельного автоматизированного рабочего места (АРМ) геотехнического мониторинга в диспетчерской

Подсистема контроля ЕЭМИ

Мониторинг ЕЭМИ в подземных сооружениях выполняется в различных странах, в основном это режимные мониторинговые наблюдения с переносными приборами [4, 5], мониторинговые системы различного типа в рудных шахтах [6] и в угольных шахтах [7, 8]. Автоматизированная система регистрации естественного электромагнитного излучения в «Олимпийских» тоннелях в г. Сочи, как составляющая общей мониторинговой системы создана для оперативного контроля изменения напряженно-деформированного состояния горных пород вблизи подземных выработок.

Регистрация ЕЭМИ производится аппаратурой типа «Ангел» в частотном диапазоне 1–150 кГц с центральной частотой 30–50 кГц в заданном временном режиме. Вся получаемая информация подвергается предварительной обработке, с учетом которой ведется селекция типов вариаций естественного электромагнитного излучения. Информативным индикатором электромагнитного излучения горных пород считается осредненное значениение амплитуд, превышающих уровни значимости, намного превышающие уровень шумов на интересующем участке тоннеля. Следующим этапом обработки является выделение информативных участков регистрации поля в реальном масштабе времени, определение пространственного местоположения источника электромагнитных возмущений и определение пространственно-временного смещения характеристик распространения (с учетом иксированной частоты).

Техническая сложность поставленных задач определяется тем, что автоматизированная система регистрации ЕЭМИ находится в эксплуатируемых автодорожных и железнодорожных тоннелях действующей железной дороги, поэтому принимаются меры для защиты от промышленных и других помех при проведении измерений. Во-первых, это фильтрация гармонической составляющей промышленных помех и регулярной импульсной помехи алгоритмами используемой аппаратурой. Во-вторых, это комплексное сопоставление результатов измерений с данными по напряженно-деформированному состоянию тоннельных крепей, обделок и вмещающих массивов [9]. Втретьих, выбранный диапазон частот позволяет учитывать влияние атмосфериков (их частотный диапазон 1–20 кГц) и избегать влияния дальних радиостанций (их частотный диапазон – первые сотни и более кГц). И, наконец, это массовый статистический подход, при котором с определенной вероятностью фиксируются основные закономерности естественного электромагнитного излучения горной породы при ее возможном деформировании в процессе эксплуатации тоннелей.

Комплексная интерпретация данных системы мониторинга

Приведем результаты наблюдений по двум показательным участкам «Олимпийских» тоннелей и только по системе железнодорожных тоннелей, где регулярная электромагнитная помеха (проходы электропоездов) сравнительно легко учитывается при анализе и интерпретации данных. С целью сглаживания данных и повышения их точности без искажения сигнала тенденции, на графиках ниже для данных ЕЭМИ применен цифровой фильтр Савицкого-Голея [10].

В качестве демонстрации выбраны следующие железнодорожные тоннели и их отдельные интервалы с сечениями датчиков ЕЭМИ и НДС.

Первый участок

Железнодорожный двухпутный тоннель № 6 подковообразного очертания общей длиной 433 метров.

На ПК 453+08 (223 м от южного портала) установлены датчики НДС, на ПК 453+28 (243 м от южного портала) – датчики ЕЭМИ. Глубина сечения ≈38 м. Участок полностью расположен в делювиальных отложениях, представленных углистыми алевросланцами темно серого, черного цвета, тонкосреднеплитчатых, жирными на ощупь – от сильнотрещиноватых до раздробленных, в большей массе перемятых, местами перетертых по трещиноватости и сланцеватости с кварцкарбонатными прожилками, местами достигающих мощности до 10 см.

Водоприток умеренный. От слабоустойчивых до совершенно неустойчивых. Коэффициент крепости пород по Протодьяконову 0,8–1,5 – 70 %, 1,5–2,5 – 30 %.

Схема расположения датчиков в постоянной обделке железнодорожного тоннеля № 6 показана на рис. 4.

Второй участок

Железнодорожный однопутный тоннель № 5 круглого очертания общей длиной 2910,2 метров.

На ПК 406+65 (730 метров от южного портала) установлены датчики НДС. Глубина сечения с датчиками ≈70 метров. Геологическое строение: туфы алевропелитовые, массивнослоистые, бурые, трещиноватые. Средней прочности средней устойчивости. Коэффициент Протодьяконова 2–4. В пяти метрах южнее – граница небольшой (10 метров) тектонической зоны, в ней туфы, туфобрекчии порфиритовой свиты, зеленовато-серые или бурые. Породы раздробленные перетертые до дресвы, глины светло серые и бурые с включениями дресвы и щебня. Коэффициент Протодьяконова от 0,8–1,0 до 1,5. Породы маловлажные.

На ПК 407+80 (845 метров от южного портала) установлен датчик ЕЭМИ. Глубина сечения с датчиком ≈108 метров. Геологическое строение: авгитовые порфириты средней прочности, прочные устойчивые. Трещиноватые. Трещины выполнены гематитом, карбонатом. Коэффициент Протодьяконова 3–5. Породы естественновлажные. На ПК 410+18 установлены датчики НДС. Глубина сечения ≈100 метров.

Сечение находится в зоне тектонического нарушения, представленной миндалекаменными порфиритами серозеленого цвета с налетами гематита красноватовишневого цвета по плоскостям трещин вкрапления оливина до 0,5 см. Породы средней прочности, малопрочные, средней и слабой устойчивости, участками совершенно неустойчивые. Коэффициент по Протодьяконову от 1–2 до 3–4. Породы естественновлажные.

Рис. 4. Схема расположения датчиков в постоянной обделке двухпутного железнодорожного тоннеля № 6
Рис. 5. Схема расположения датчиков в постоянной обделке однопутного железнодорожного тоннеля № 5

Схема расположения датчиков в постоянной обделке железнодорожного тоннеля № 5 показана на рис. 5.

Результаты долгосрочной регистрации ЕЭМИ и НДС На рис. 6 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 г. по февраль 2021 городе Сочи (Краснодарский край, Россия): 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. Для графиков НДС и температуры воздуха проведены линии тренда.

Также приведены графики температуры воздуха по двум метеорологическим станциям: 1 (в начале трассы тоннелей) в городе Сочи (Краснодарский край, Россия): широта 43.58, долгота 39.77, высота над уровнем моря 132 метра; 2 (в окончании трассы тоннелей) – в Красной Поляне (Краснодарский край, Россия): широта 43.68, долгота 40.20, высота над уровнем моря 567 метра. 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 выражен ной сезонностью. Прослеживается безусловная прямая зависимость регистрируемых данных по датчикам НДС 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.

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 минимумы растянуты на несколько месяцев.

Минимумы ЕЭМИ наблюдаются:

• в январе 2014, январе 2015, январе 2016 года;
• с декабря 2016 – января 2017 по июнь 2017 года;
• с января 2018 по май 2018 года;
• с ноября 2018 по июнь 2019 года;
• с января 2020 по июнь 2020 года.

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

На графиках ЕЭМИ наблюдаются локальные и основные максимумы. Максимумы ЕЭМИ наблюдаются:

• 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 годов.

Рис. 6. Результаты совместной обработки данных ЕЭМИ и НДС по первому участку (железнодорожный тоннель № 6)
Рис. 7. Результаты совместной обработки данных ЕЭМИ и НДС по второму участку (железнодорожный тоннель № 5)

Локальные максимумы ЕЭМИ связываются с резким перепадом температур, основные максимумы ЕЭМИ – с максимальными температурами. На рис. 7 представлены результаты совместной регистрации данных ЕЭМИ и НДС системы «обделка тоннеля – вмещающий горный массив» по второму участку в железнодорожном тоннеле № 5. Показан временной интервал измерений с декабря 2013 по февраль 2021 г. (для ЕЭМИ) и с декабря 2013 по март 2016 годов (для НДС).

Также приведены графики температуры воздуха. Для графиков НДС и температуры воздуха проведены линии тренда. Колебания значений по датчикам НДС запоказанный период находятся в пределах 3–4 МПа с четко выраженной сезонностью. Прослеживается безусловная прямая зависимость регистрируемых данных по датчикам НДС от температуры воздуха (и соответственно температуры тоннельной обделки).

Как и в первом случае, исключая температурные колебания по линиям тренда для датчиков НДС можно сделать вывод о плавном увеличении напряжений в обделке с после дующей стабилизацией. Здесь также, как и для первого рассматриваемого участка, в начале измерений наблюдаются нехарактерный для всего остального периода наблюдений ход ЕЭМИ. Уровень ЕЭМИ в отличие от первого участка наоборот повышен. Стабилизация и вы ход на обычный ход минимумов и максимумов ЕЭМИ здесь наблюдается после года регистрации.

С начала измерений в декабре 2013 года фиксируется спад интенсивности ЕЭМИ до минимальных значений в мае — июне 2014 года, то есть минимальные ЕЭМИ достигаются на один — два месяца раньше, чем достигаются максимальные значения температуры.

После начала снижения температуры рост ЕЭМИ продолжается. Локальное повышение ЕЭМИ фиксируется в момент достижения максимальных температурных значений, но все же абсолютный годовой максимум ЕЭМИ (в октябре — ноябре 2014 года) отмечается только через три-четыре месяца после достижения температурных максимумов, в то время как значения по датчикам НДС переходят к снижению практически синхронно со снижением температуры.

С минимальных значений в январе 2015 года температура воздуха начинает повышаться, что отмечается в начале этого процесса локальными повышенными значениями ЕЭМИ, а уже через 15–20 суток к снижению до минимума, который сохраняется для ЕЭМИ в течение последующих четырех месяцев.

Очередной рост ЕЭМИ начинается в мае 2015 г. с минимальных значений до максимума в сентябре-декабре 2015 года, также как в предыдущем году максимум ЕЭМИ достигается примерно через месяц после достижения максимальных температурных значений, наблюдавшихся в августе 2015 года.

Далее совместное поведение параметров температуры воздуха, НДС и ЕЭМИ аналогично. Последующие колебания ЕЭМИ свидетельствуют о дальнейшем сохранении вы явленной цикличности.

Минимумы ЕЭМИ наблюдаются:

• в начале измерений «растянутые» в апреле-июле 2014 года, марте — июне 2015 года, декабре — мае 2016 года;
• далее более «точечные» стабильно в мае, июне 2017, 2018, 2019, 2020 годов.

Максимумы ЕЭМИ наблюдаются:

• октябрь — ноябрь 2014 года;
• сентябрь — декабрь 2015 года;
• сентябрь — ноябрь 2016 года;
• ноябрь — декабрь 2017 года;
• октябрь — декабрь 2018 года;
• октябрь — декабрь 2019 года и январь 2020 года;
• сентябрь — ноябрь 2020 года.

Новый Байкальский тоннель. Источник: btpnsk.ru

Интерпретация полученных результатов

Наблюдаемая связь ЕЭМИ с температурой не прямая, а опосредованная через изменение свойств прилегающих к выработке горных пород, а именно – через процессы их сжатия и растяжения, ведущих к смыканию и размыканию существующих в них микродефектов и микротрещиноватости. Так, предполагается, что в стабильном сжатом состоянии фиксируются минимумы импульсов ЕЭМИ, при растяжении массива и материала обделки происходит разделение зарядов на бортах микродефектов и происходит нарастание ЕЭМИ, полное разделение бортов микродефектов приводит к прекращению интенсивного ЕЭМИ. Данный процесс протекает в обратную сторону при сжатии микродефектов и микротрещиноватости в массиве горных пород. Периоды сжатия и растяжения тесно связаны с температурными колебаниями, в связи с этим возникает сезонность ЕЭМИ.

Учитывая особенности расположения стационарных датчиков ЕЭМИ в системе «обделка тоннеля – вмещающий горный массив», можно предположить, что решающее значение в формировании сезонных вариаций оказывает изменение температурного режима, на фоне которого происходит периодическое смыкание и размыкание существующих в горных породах микродефектов и микротрещиноватости.

Подтверждение такому выводу можно найти в работах, которые проводились на тоннелях БАМа [11, 12], где перепады температур были значительней. Влияние температурных воздействий на напряженно деформированное состояние обделок тоннелей представлено в [11], здесь дается механизм изменения раскрытия трещин, четко коррелирующий с изменением температуры воздуха в тоннеле, при понижении температуры – трещины раскрываются, при повышении – закрываются.

В работе [12] приводятся результаты комплексных наблюдений за развитием трещин в бетонной обделке Северомуйского железнодорожного тоннеля. На ряде участков с заметным проявлением деформаций были оборудованы замерные станции деформаций бетона обделки тоннеля, проводились прямые наблюдения за деформациями трещин, режимные измерения температуры воздуха на контакте с обделкой тоннеля, а также режимные наблюдения методом регистрации ЕЭМИ с аналоговой аппаратурой.

По результатам теоретических, лабораторных и натурных исследований установлено, что ЕЭМИ отражает реальный процесс изменений напряженно-деформированного состояния в материалах конструкций и горных породах, особенно при трещинообразовании (прорастании, торможении и закрытии существующих трещин). Процесс наблюдается в том числе и на микроуровне – когда видимых трещин ни в обделке, ни в породе не образуется, а деформированию под действием изменения температуры подвергаются микродефекты, неоднородности и микротрещины в материалах обделки и во вмещающем массиве горных пород.

Выводы

Приведенные результаты долгосрочной регистрации ЕЭМИ системой автоматизированного геотехнического мониторинга в «Олимпийских» тоннелях трассы Адлер –Красная Поляна отражают цикличные изменения свойств прилегающего к тоннелям горного массива в тесной взаимосвязи с температурным режимом. На двух различных участках показано, что связь эта не прямая и не постоянная, она может зависеть от структурного состава вмещающих горных пород,

этапа эксплуатации, материалов и конструкций обделок железнодорожных тоннелей, различных механизмов смыкания и размыкания микродефектов для конкретного вмещающего массива.

Важным аспектом является подтверждение возможности контроля современной динамики изменения напряженнодеформированного состояния горных пород и конструкций тоннелей, выявление стабильной сезонности, соответствующей нормальному функционированию систем «обделка тоннеля – вмещающий горный массив». Метод ЕЭМИ является весьма чувствительным к геомеханическим процессам и явлениям в массивах горных пород, выявление стабильного многолетнего хода ЕЭМИ по системе датчиков в тоннелях является основой для прогнозирования возможных аварийных ситуаций.

Новый Юкспорский тоннель. Источник: sdelanounas.ru

Список литературы

1. Власов С. Н., Маковский Л. В., Меркин В. Е. Аварийные ситуации при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей и метрополитенов. При участии Куплиса А. Э., Сарабеева В. Ф., Торгалова В. В. – 25е издание, дополненное. – Москва: ТИМР, 2000. – 198 с.
2. Методическое руководство по комплексному горно-экологическому мониторингу при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей. – М.: ИПКОН РАН, НИПИИ «Ленметрогипротранс», 2009. – 68 с.
3. Инструкция по учету сейсмических воздействий при проектировании горных транспортных тоннелей ВСН 193581. 1982.
4. Qiu L., Wang E., Song D., Liu Z., Shen R., Lv G., Xu Z.Measurement of the stress field of a tunnel through its rock EMR. J. Geophys. Eng 2017; 14:949–959. DOI:10.1088/1742–2140/aa6dde
5. Lichtenberger, Marco. Underground Measurements of Electromagnetic Radiation Related to Stress5induced Fractures in the Odenwald Mountains (Germany). Pure and Applied Geophysics. 2006. 163. Pp. 1661–1677. DOI:10.1007/s00024-006-0083-5
6. Liu, Xiaofei & Wang, Enyuan. Study on characteristics of EMR signals induced from fracture of rock samples and their application in rockburst prediction in copper mine. Journal of Geophysics and Engineering. 2018. 15.10.1088/174252140. DOI:10.1088/1742-52140/aaa3ce
7. Wang, E.; He, X.; Liu, X.; Xu, W. Comprehensive monitoring technique based on electromag netic radiation and its applications to mine pressure. Saf. Sci. 2012, 50, Pp. 885–893. DOI:10.1016/j.ssci.2011.08.013
8. Li, X.; Wang, E.; Li, Z.; Liu, Z.; Song, D.; Qiu, L. Rock Burst Monitoring by Integrated Microseismic and Electromagnetic Radiation Methods. Rock Mech. Rock Eng. 2016, 49, Pp. 4393–4406. DOI:10.1007/s00603501651037568. Li, X.; Wang, E.; Li, Z.; Liu, Z.; Song, D.; Qiu, L. Rock Burst Monitoring by Integrated Microseismic and Electromagnetic Radiation Methods. Rock Mech. Rock Eng. 2016, 49, Pp. 4393–4406. DOI:10.1007/s00603-016-1037-6
9. Романевич К. В. Разработка критериев и методики идентификации геодинамических процессов по электромагнитному излучению вблизи выработок неглубокого заложения: диссертация кандидата технических наук: 25.00.20 / ИПКОН РАН – Москва, 2015. – 156 с.
10. Romanevich K. V., Lebedev M. O., Andrianov S. V., Mulev S. N. Integrated Interpretation of the Results of Long5Term Geotechnical Monitoring in Underground Tunnels Using the Electromagnetic Radiation Method. Foundations 2022, 2,561–580. https://doi.org/10.3390/founda-tions2030038
11. Трунев В. Г. Влияние температурных воздействий на напряженно-деформированное состояние обделок тоннелей БАМа: диссертация кандидата технических наук: 05.23.15 / Ленингр. ин-т инж. ж/д транспорта. – Ленинград, 1990. – 170 с.
12. Безродный К. П., Исаев Ю. С., Басов А. Д., Романевич К. В. Проблемы оценки напряженно-деформированного состояния горных пород методом ЕЭМИ. / Труды Всероссийской конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли». Том 1. – Новосибирск: Ин5т горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 2011. С. 233–238.

ленметрогипротранс