Применение скважинной сейсмической томографии для оценки эффективности мероприятий по закреплению грунта

В настоящее время большой необходимостью развития мегаполисов является освоение подземного пространства для устройства транспортных коммуникаций, подземных паркингов, торговых зон и т.д. При реализации подобных проектов существенно возрастает риск возникновения аварий и повреждения существующей застройки в зонах влияния строительных работ.

Авто фото: Josh Wilburne/Unsplash

Возможность снижения риска возникновения аварий при строительстве подземных сооружений в городской черте появляется только при условии выявления неблагоприятных факторов, оказывающих негативное влияние на существующую застройку или возводимый объект, и разработке мероприятий, снижающих это негативное влияние.

Применение геофизических методов для комплексной оценки фактического состояния вмещающего грунтового массива существенно увеличивает оперативность и объективность геотехнического мониторинга. При этом применение сейсмоакустической томографии существенно повышает разрешающую способность исследований.

Существующие методики, например, межскважинное сейсмоакустическое просвечивание, позволяют исследовать практически любые глубины с высокой разрешающей способностью даже в стесненных городских условиях. В статье изложен опыт применения сейсмоакустической томографии для оценки качества мероприятий и оценки эффективности инъекционных закреплений грунтового массива.

Строительство метро Шушары

Введение

При строительстве сложных подземных сооружений, таких как станции метрополитена, с большим количеством этапов горной проходки и сложностью механизации горнопроходческих работ, возникают просадки земной поверхности. Здания, попадающие в зону влияния строительства, испытывают деформации, которые могут привести к их разрушению. На протяжении многих лет это является актуальной проблемой для Санкт-Петербурга и других мегаполисов [1,2].

Даже при значительной глубине заложения станций метрополитена (60 — 80 метров), происходят осадки поверхности земли на большой площади, составляющей несколько гектаров городской территории.  Существующие технологии строительства станционных узлов метрополитена и наклонных эскалаторных тоннелей приводят к деформациям вышележащей толщи грунта и расположенных на ней зданий и сооружений, в свою очередь это может привести к нарушению прочности конструкций и к полному выводу сооружений из эксплуатации [3]. При этом отсутствует возможность оградить существующие здания от источника развития деформаций ограждающими конструкциями или пересадить здания на сваи с передачей нагрузки на грунты ниже строящегося подземного сооружения. Другие известные способы усиления конструкций зданий и грунтов оснований также не исключают деформации этих зданий [4,5,6,9].

Для решения проблемы снижения деформации земной поверхности применяются мероприятия по инъекционному нагнетанию в основания зданий (превентивное закрепление грунтов и компенсационные нагнетания при неравномерных осадках), попадающих в область влияния строительства подземных сооружений.

Авария при строительстве Юнусабадской линии ташкентского метрополитена 18 декабря 2019 года, обвалилось около 250 кубометров грунта, погибло 6 человек. Источник: akhbor-rus.com

Методики инъекционных мероприятий имеют богатый мировой опыт [13-16], в том числе в России [5, 10-11]. Для контроля их реализации чаще всего применяют геодезический мониторинг и датчики гидростатического нивелирования [13]. Однако в этом случае компенсационные мероприятия начинаются только после того, как будут зафиксированы деформации. В данном случае может быть упущено время.

В таких условиях основной задачей является своевременное проведение мероприятий по заполнению образуемых разуплотнений до того, как произойдет осадка здания. И принятие рациональных решений по месту закрепления и объемам и составу инъекционных растворов.

Немаловажным фактором для управления осадкой зданий является определение качества инъекционных работ. Поскольку инъекционные растворы идут по пути наименьшего сопротивления, недостаточно рассчитывать только на теоретически правильную организацию работ. Инъекционное закрепление грунтов при большом количестве достоинств имеет недостатки.

Главным недостатком, является невозможность прогнозирования получаемых объемов, прочности и водонепроницаемости закрепленного грунта после инъекции раствора. Известны случаи, когда после мероприятий по инъекционному закреплению выкапывались контрольные шурфы, и обнаруживалось, что состояние и структура закрепленного грунта не соответствует проекту: не обеспечена сплошность закрепленного грунта (зоны закрепления являются отдельными монолитами различных размеров и объемов преимущественно в местах расположения скважин)[17-20]. По этой причине для повышения эффективности инъекционных мероприятий необходимы наблюдения, позволяющие контролировать качество заполнения инъекционными растворами. Такой контроль может быть выполнен с помощью сейсмоакустической томографии в варианте межскважинного просвечивания.

Преимущество применения сейсмических методов для решения данных задач объясняется, прежде всего, экономической эффективностью, мобильностью, скоростью выполнения, а главное, наличия высоких корреляционных связей между скоростью распространения сейсмических волн и физико-механическими свойствами исследуемых грунтов. Метод межскважинной томографии, во-первых, снимает ограничения по глубине наблюдений, в отличие от поверхностных методов, что позволяет производить исследования на большие глубины даже в стесненных городских условиях, во-вторых, существенно повышается разрешающая способность наблюдений.

Главной физической предпосылкой использования сейсмических методов для контроля качества инъекционных мероприятий является заметная разница в значениях скоростей распространения сейсмических колебаний в рыхлых слабых грунтах и в прочных сцементированных породах. Закрепленный грунт по строению похож на осадочные сцементированные породы.

Скорость сейсмических волн в закрепленных грунтах всегда выше, чем в незакрепленных грунтах. От факторов, влияющих на изменение скоростей распространения продольных волн, зависят и физико-механические свойства закрепленного грунта.

Оценку качества закрепления грунтов, в первом приближении, можно сделать по изменению скорости сейсмических волн. Например, при максимальном насыщении песка цементным раствором, скорость распространения продольных волн (Vp) в нем может достигнуть 3,0 км/с, а области, в которые по каким-либо причинам смесь не попала или объем смеси оказался недостаточным, будут выделяться пониженным приростом скорости, а иногда и вовсе отсутствием изменений скоростных характеристик.

Описание метода исследований

Суть метода межскважинного сейсмического просвечивания (МСП) заключается в возбуждении упругой волны в одной скважине, регистрации в другой и дальнейшем анализе ее характеристик.

Скважинные наблюдения, по отношению к поверхностным, обладают рядом преимуществ:

– приближение источников и приемников к объекту исследования;

– отсутствие необходимости регистрации волн через неоднородный поглощающий поверхностный слой.

При этом в отличие от скважинного каротажа, область исследования около-скважинного пространства в методе межскваженного просвечивания значительно больше, и может достигать нескольких десятков метров.

Рис. 2а. Пример. Технологический процесс обработки — выделение вступлений P-волн

Существует 3 основные методики проведения межскважинного сейсмоакустического просвечивания:

– однолучевое параллельное просвечивание на продольных волнах;

– многолучевое параллельное просвечивание;

– многолучевое томографическое просвечивание.

Рисунок 1 – Принципиальная схема межскважинного сейсмоакустического просвечивания

Зависимость разрешающей способности метода сейсмической томографии от выбора системы наблюдений была подробно рассмотрена в работах [21-24], в которых было показано, что наиболее практичной оказалась система многоазимутального покрытия сейсмическими лучами межскважинного пространства, которая реализуется при томографическом просвечивании.

Томографическое просвечивание подразумевает «плотное» и многоазимутальное покрытие исследуемой среды сейсмическими лучами (рис.1). При выполнении данного вида работ в водонаполненных скважинах используют излучатели сейсмических волн типа «sparker» и многоканальные сейсмические косы желательно с гидрофонными (объемными) датчиками приема (рис.3б). Использование одноканальной приемной установки также возможно, но малоцелесообразно в виду значительного роста времени выполнения работ.

В настоящее время уже существуют аппаратурные и программные возможности производства сейсмической томографии как на продольных (Р), так и на поперечных (S) волнах [25-33]. Однако на практике чаще всего реализуют наблюдения с возбуждением и регистрацией только продольных волн (P). Это связано с относительно простой аппаратурно-методической реализацией наблюдений, высокой скоростью производства работ и достаточно быстрой обработкой получаемых данных.

При этом стандартным подходом при обработке получаемых материалов является томографическая инверсия времен прихода первых вступлений, которая позволяет восстановить распределение скорости (V) упругой волны и, при многоазимутальном покрытии исследуемой среды, параметр (Vx/Vy) в межскважинном пространстве.

Физический предел разрешающей способности метода лучевой сейсмической томографии соизмерим с размером первой зоны Френеля h:

Использование размеров зоны Френеля для оценки разрешающей способности лучевой сейсмической томографии справедливо при наличии локальных и периодических аномалий скорости. Обнаружение локальных аномалий скорости (одиночных неоднородностей) эффективно при условии, что их размер больше или равен диаметру зоны Френеля, а также при изучении субгоризонтальных структур слоистого разреза [22-24].

Изучение структуры аномалий скорости на качественном уровне возможно и при размере неоднородностей меньше зоны Френеля, это становится возможным только при условии идеального лучевого и углового покрытия, когда обеспечивается наличие плотной системы лучей, что достигается исследованиями в режиме томографии.

Технологический процесс обработки и интерпретации материалов скважинных исследований состоит из двух основных этапов:

1. предварительной обработки, в которую входит процесс выделения вступлений продольных волн (Рис. 2а);
2. томографической обработки (Рис. 2б). При этом основой для обработки являются сейсмограммы сейсмических записей, полученные от каждого дискретного положения источника возбуждения при межскважинном просвечивании.

Рис. 2б – Пример. Технологический процесс обработки — результат томографической обработки

В конечном итоге обработка материалов скважинной сейсмической томографии сводится к получению кинематических разрезов (рис.2б), характеризующих особенности структуры изучаемой среды. При этом области, в которых характеристики среды по каким-либо причинам не соответствуют проектным, достаточно успешно выделяются.

Результаты эксперимента по контролю закрепления грунтового массива методом межскважинной сейсмической томографии

В качестве примера в статье приведены результаты наблюдений методом межскважинной сейсмической томографии для оценки качества инъекционного закрепления грунтового массива на опытном участке.

В состав экспериментальных работ были включены следующие мероприятия и способы контроля:

• бурение и подготовка инъекционных скважин на опытном участке (Рис. 3а), через которые в грунтовый массив будет производится нагнетание инъекционного раствора. При этом некоторые скважины (Скв№1,3,7,10) будут использованы для оценки изменений скоростных характеристик грунтового массива в результате инъекционных мероприятий методом межскважинной сейсмической томографии.
• оценка фактического состояния грунтового массива до производства инъекционного закрепления методом межскважинной сейсмической томографии;
• производство инъекционного закрепления подготовленным раствором в грунтовый массив;
• проведение контрольных наблюдений методом межскважинной сейсмической томографии для оценки эффективности проведенных мероприятий.

Конструкция манжетных колонн в скважинах позволяет их многократное использование, как для повторных инъекционных работ, так и скважинных геофизических исследований (Рис.3б).

Рисунок 3 – Описание скважинных исследований: a) схема производства измерений б) скважинное оборудование

Процесс нагнетания инъекционного раствора в грунт на опытном участке производился в следующей последовательности: поочередно, в каждой скважине, от скважины №7 к скважине №3 (рис. 3а) снизу вверх по оси скважины производилось нагнетание инъекционным раствором с шагом 0,3м.

Подготовленная инъекционная смесь имела следующий состав (на 1 м3 раствора):

• Цемент — 1200кг; вода- 560л; жидкое стекло — 9,6 кг; суперпластификатор «С-3» – 2кг.
• Регламент мероприятий по закреплению грунтового массива предусматривал, что инъектирование производится во всех скважинах в объеме 110л на каждом интервале перфорации обсадной колонны (т.е. через 0.3м по оси скважины). Считалось, что этого будет достаточно, для того чтобы обеспечить увеличение прочностных характеристик грунта и сплошность создаваемого массива.

При проведении эксперимента регламент был существенно нарушен:

• в скв.№7 в интервале глубин 9,3-9,0м объем закаченного инъекционного раствора составил 2200л, что сильно превысило проектный объем;
• в интервале глубин 8,7-6,0м (скв.№7) было закачено по 220л в каждый горизонт;
• лишь в интервале глубин 6-2.7м (скв.№7) были произведены нагнетания в соответствии с регламентным объемом (110л) в каждый горизонт инъектирования.

В последующих скважинах (Скв.№6-скв.№3) инъектирование было выполнено в интервалах глубин 9,3-4,5м со средним расходом инъектируемого раствора 220л на каждом интервале перфорации (с шагом ~0.3м).

Оценка эффективности инъекционных мероприятий проводилась по следующей схеме (рис.3а):

В скв№7 опускалась приемная коса с гидрофонными датчиками, расположенными с шагом 1м, а в скважинах №1, №3 и №10 поочередно с шагом 1м, перемещался скважинный излучатель и возбуждал сейсмические колебания (Рис.3б).

На рисунке 4a представлен результат межскважинного сейсмоакустического просвечивания, полученный до закрепления грунтового массива. Полученный разрез хорошо коррелируется с данными инженерно-геологических изысканий (Рис.4б). В верхней части разреза залегают насыпные техногенные слабодислоцированные грунты (1), под ними слой водонасыщенных песков (2), которые подстилают слой суглинков (3).

На рисунке 4в представлен результат межскважинного сейсмоакустического просвечивания, полученный через 22 дня после закрепления.

Рисунок 4- Результаты сейсмической томографии: а) до стабилизации породы; б) после стабилизации породы; в) геологический разрез; г) разностный скоростной разрез. 1) насыпные техногенные слабодислоцированные грунты; 2) слой водонасыщенных песков; 3) слой суглинков.

На рисунке 4г представлен разностный скоростной разрез, который характеризует изменения скоростных характеристик грунтов спустя 22 дня после проведения закрепления.

Анализ полученных результатов показал:

• в нижней части разреза закрепление грунтов оказалось успешным о чем свидетельствует повышение скоростей продольных волн (Vp) в среднем на 0,7 км/с;
• сплошность в зоне закрепления в интервале 4,5-9,5м выдержана за исключением нескольких аномальных областей на глубине 6,8м (рис. 4г).
• в верхней части разреза скорости наоборот снизились в среднем на 0,2 км/с, что указывает на ослабление верхней части грунтового массива, которое с большей степенью вероятности, стало следствием нарушения регламента ведения инъекционных работ, а именно:
• непроектный, сверхнормативный объем, закаченный в нижний горизонт (9,3-9,0м) грунтового массива повлек за собой поднятие (пучение) верхней части разреза;
• нарушение регламента нагнетаний в верхней части грунтового массива не позволило обеспечить закрепление приповерхностного слоя;
• после завершения прокачки инъектируемый раствор субгоризонтально распределился в грунтовом массиве, при этом вертикальная составляющая заполненного объема нагнетания уменьшилась, что привело к незначительному оседанию грунтового массива. Процесс поднятия и оседания незакрепленного приповерхностного слоя привел к его разуплотнению со снижением прочности и, как результат, к снижению скоростных характеристик.

На основании полученных данных:

• были выданы рекомендации к дополнительной прокачке областей с нарушенной сплошностью в скв. №4,5,6  (интервал глубин 6,5-7м);
• был предложен более эффективный регламент нагнетания, при котором закрепление грунтового массива будет осуществляться без потери прочности верхней части разреза, а именно:
• производится превентивное закрепление приповерхностной части грунтового массива, тем самым обеспечив своего рода экран, который будет препятствовать как выходу инъекционного раствора, так и пучению ослабленной приповерхностной части массива;
• объем инъектирования не должен превышать проектные (рассчитанные) нормы.

Выводы

С помощью метода межскважинной сейсмической томографии эффективно оценивается эффективность инъекционных работ, выделяются участки, в которых укрепление грунтов оказалось недостаточным, и необходимо дополнительное закрепление.

Параметры, полученные методом межскважинной сейсмической томографии необходимы для уточнения технологических параметров инъекционных нагнетаний, в том числе: объемы инъекционного раствора; состав раствора; необходимости превентивного гидрологического экранирования и т.д.

Преимущества метода межскважинной сейсмической томографии для решения задачи по оценке эффективности инъекционных мероприятий:

• высокая разрешающая способность исследований;
• возможность наблюдений практически на любые глубины даже в стесненных городских условиях (определяется глубиной скважин);
• возможность исследований в массиве прямо под основаниями зданий.

Применение геофизического контроля (в виде межскважинной сейсмической томографии) позволяет увеличить оперативность геотехнического мониторинга при строительстве подземных сооружений, в том числе при контроле инъекционных мероприятий для сохранения зданий, находящихся в области влияния строительных работ.

Литература

1. Улицкий В. М.; Шашкин А. Г.; Шашкин К. Г. Геотехническое сопровождение развития городов. Практическое пособие по проектированию зданий и подземных сооружений в условиях плотной застройки. Изд. «Группа компаний «Геореконструкция», 2010.
2. Петрухин В.П. Геотехнические проблемы строительства в Москве – крупнейшем мегаполисе России. Геотехнические проблемы мегаполисов. Изд. «Группа компаний Геореконструкция», 2010.
3. Bezrodny K.; Lebedev M.; Larionov R.; Preservation of urban historic centers. In proceedings of the 15th World Conference of Associated Research Centers for the Urban Underground Space (ACUUS 2016). Procedia Engineering, November 2016, pp.96-103.
4. Мангушев Р.А.; Осокин А.И.; Геотехника Санкт-Петербурга. Изд. «Москва», 2010.
5. Ильичев В.А.; Никифорова Н.С.; Готман Ю.А.; Тупиков М.М.; Трофимов Е.Ю.; Анализ применения активных и пассивных методов защиты существующей застройки при подземном строительстве. Журнал «Жилищное строительство», №12(6), Санкт-Петербург, 2003, сс. 25-28.
6. Безродный К.П.; Салан А.И.; Маслак В.А.; Лебедев М.О.; Старков А.Ю. Морозов А.В. Реализация безосадочных технологий при строительстве петербургского метрополитена. Транспорт Российский Федерации, №12(3), Москва, 2010, сс. 38-41.
7. Маслак В.А.; Безродный К.П.; Лебедев М.О.; Марков В.А.; Захаров Г.Р.; Ледяев А.П.; Старков А.Ю. Малоосадочные технологии при строительстве метро в историческом центре Санкт-Петербурга. Метро и тоннели № 12(6), 2013, сс. 28-32.
8. Маслак В.А.; Безродный К.П.; Лебедев М.О.; Гендлер С.Г. Новые технико- технологические решения для строительства тоннелей метрополитена в условиях мегаполиса. Горный журнал, 12(5), Москва, 2014, сс. 57-60.
9. Безродный К.П.; Лебедев М.О.; Марков В.А.; Старков А.Ю.; Геотехническое обеспечение при строительстве двухпутного перегонного тоннеля с помощью ТПМК. Метро и тоннели. 12(5), Москва, 2015,сс. 16-19.
10. Безродный К.П.; Мацегора А.Г.; и Лебедев М.О. Технология строительства станций метрополитена в условиях плотной городской застройки. Труды международной конференции по геотехнике «Развитие городов и геотехническое строительство. Санкт-Петербург, 2008,сс. 555-561.
11. Безродный К.П.; Мацегора А.Г.; Маслак В.А.; Осокин А.И.; Болтинцев В.Б.; Ильяхин В.Н. Контроль иньекционного укрепления в грунтовых условиях Санкт-Петербурга. Жилищное строительство. 12(2), Санкт-Петербург, 2009, сс.4-9.
12. Лисин В.П. Возможности обследования и мониторинга состояния грунтовых оснований портовых терминалов малоглубинными геофизическми методами. Инженерные изыскания 10-11/2015, Геомаркетинг,2015, сс.86-95
13. Зерцалов М.Г.; Симутин А.Н.; Александров А.В. Технология компенсационного нагнетания для защиты зданий и сооружений. МГСУ//Вестник №6, 2015, сс.32-40
14. Meyr R.; Khayt D. Tekhnologiya kompensiruyushchego inetsirovaniya rastvorov v grunt. Digest of Foreign Information.№ 2, 1995, pp. 43—52.
15. Schweiger H.F.; Falk E. Reduction of Settlements by Compensation Grouting, Numerical Studies and Experience From Lisbon Underground. Tunnels and Metropolises. Balkema, Rotterdam, 1998, pp. 1047—1052.
16. Jean-Louis Valet. Kompensationoe nagnetanie: tekhnologiya v real’nom vremeni. Metro i tonneli 4, 2002, pp. 16—19.
17. Ибрагимов М.Н.; Семкин В.В.; Шапошников А.В. Некоторые проблемы закрепления грунтов растворами из микроцементов. Строительные науки №4. 2016 cс. 114-120
18. Королев В. М.; Смирнов О. Е.; Аргал Э. С.; Ашихмен В. А. Опыт закрепления грунтов с помощью микроцемента. Основания, фундаменты и механика грунтов  № 4. 2006. cc.10–14.
19. Ибрагимов М. Н. Вопросы проектирования и производства работ уплотнения грунтов инъекцией растворов по гидроразрывной технологии. Основания, фундаменты и механика грунтов № 2, 2015, сс.22–27.
20. Вознесенская Е.С.; Ермолаев В.А.; Осокин А.И.; Татаринов С.Н. Упрочнение оснований зданий и сооружений методом гидроразрыва с использованием манжетной технологии. Основания, фундаменты и механика грунтов № 6, 2014, сс.19–24
21. Огильви А. А. Основы инженерной геофизики. Изд. Недра, 1990.
22. Болгаров А. Г.; Рослов Ю. В. Межскважинная сейсмическая томография для решения инженерно-геологических задач. Технологии сейсморазведки № 1, 2009, сс. 105-111.
23. Шишкина М. А.; Фокин И. В.; Тихоцкий С. А. Разрешающая способность межскважинной лучевой сейсмической томографии: расстановка, скоростная модель, конечная частота сигнала. Информационный портал института ИФЗ РАН. URL: http://www.ifz.ru/lab-202/inverse-problems/tomo-resolution/.
24. Шишкина М. А.; Фокин И. В.; Тихоцкий С. А. К вопросу о разрешающей способности межскважинной лучевой томографии. Технологии сейсморазведки № 1, 2015, сс. 5-21.
25. Dorokhin K. A.; Boyko O. V. Seismoacoustic monitoring to assess the quality of the execution of protective structures and compensatory strengthening of the soil rock / 14th conference and exhibition on engineering and mining geophysics. Аlmaty, 2018, pp. 56-70.
26. Архипов А. Г. Cейсмоакустическая диагностика состояния массивов естественных и искусственных грунтов. Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в России, Изд-во НМСУ «Горный», 2015, — сс. 162-166.
27. Dobróka M.; Szegedi H. On the Generalization of Seismic Tomography Algorithms, American Journal of Computational Mathematics Vol. 4. No. 1, 2014, pp. 37-46.
28. Kubota K.; Kiho K.; Mizohata S.; Murakami F. Development of directional drilling system
29. and measurement method in the borehole application of seismic tomography between surface and the borehole/10th Asian Regional Conference of IAEG.2015 URL: http://www.jseg. or.jp/2015ARC/data/TP4/Tp4-P05_1 080009_1510841.pdf.
30. Li Y.; Hewett B. Borehole seismic quantitative diagnosis of a seismic velocity model for 3D seismic imaging of subsurface structures. EAGE, Geophysical Prospecting Vol. 62, 2014, pp. 719—739.
31. Julius K. von Ketelhodt1, Thomas Fechner, Musa S.D. Manzi and Raymond J. Durrheim Joint inversion of cross-borehole P-waves, horizontally and vertically polarized S-waves: tomographic data for hydro-geophysical site characterization. Near Surface Geophysics №16, 2018, pp.529–542.
32. Angioni T.; Rechtien R.D.; Cardimona S.J.; Luna R. Crosshole seismic tomography and borehole logging for engineering site characterization in Sikeston, MO, USA. Tectonophysics №368, 2003, pp.119– 137.
33. Carrion P.; Costa J.; Pinheiro J.E.; Schoenberg M. Crossborehole tomography in anisotropic media. Geophysics 57, 1992, pp.1194–1198.
34. Dietrich P.; and Tronicke J. Integrated analysis and interpretation of cross-hole P- and S-wave tomograms: a case study. NearSurface Geophysics №7, 2009, pp.101–109.