Результаты долгосрочного геотехнического мониторинга горных тоннелей

Исследования велись с использованием метода электромагнитной эмиссии в период 2009 - 2022 годов.

Строительство Лахтинско-Правобережной линии. Источник: krti.gov.spb.ru

Большинство работ в рамках тематики взаимосвязи естественного электромагнитного излучения горных пород (ЕЭМИ) и изменений напряженно-деформированного состояния (НДС) (геодинамики) в подземных выработках посвящено измерениям ЕЭМИ в угольных шахтах, выработках рудников и на карьерах.

Основа этих работ – контроль и прогноз горных ударов, катастрофических сдвижений массивов. Работ по регистрации ЕЭМИ в транспортных тоннелях сравнительно мало, но они звучат достаточно убедительно и позволяют полагаться на результаты регистрации ЕЭМИ при оценке изменения НДС системы «обделка тоннеля – вмещающий горный массив» при высоком уровне техногенных помех, и даже создавать системы непрерывного контроля ЕЭМИ – по аналогии с системами ЕЭМИ-мониторинга в
угольных шахтах [1, 2].

Вопросы учета вариаций сигналов ЕЭМИ различных уровней от суточных до сезонных и годовых очень важны для разрабатываемых систем геодинамического мониторинга. Так как четкая фиксация таких вариаций позволяет понимать режим существования вмещающего массива и подземного объекта в нем. А по аномальным отклонениям от установившегося режима можно делать выводы об аномальных изменениях НДС, приводящих к геодинамическим явлениям. Однако, для того, чтобы делать прогнозы, необходимо задавать критерии таких отклонений, что в свою очередь возможно только при сверхдолгосрочных
наблюдениях по системе мониторинга, исчисляющихся десятилетиями.

Примерам регистрации вариаций ЕЭМИ и связи их девиаций с крупными геодинамическими событиями посвящен «Каталог импульсных предвестников землетрясений» [3], содержащий результаты наблюдений ЕЭМИ в сейсмоактивных регионах
Земного шара и результаты спутниковых наблюдений при пролете над районами землетрясений. Основу «Каталога…» составляют публикации советских и зарубежных авторов. Данные разбиты по регионам бывшего СССР: Карпаты, Кавказ, Средняя Азия,
Казахстан, Камчатка, и странам: Япония, Китай, Болгария, США, Франция (Кергеленские острова). В «Каталоге…» приводится словесное описание аномалий ЕЭМИ, предшествующих сейсмическим событиям, а также графики и регистрограммы интенсивности ЕЭМИ, приведены некоторые данные по особенностям используемой аппаратуры, условиям регистрации ЕЭМИ перед сейсмособытиями, а также некоторые характеристики самих землетрясений.

Аналогичные данные получены в целом и нами при исследовании ЕЭМИ при изысканиях (до начала строительства горных тоннелей в массивах горных пород в Юго-Западной части Северного Кавказа), в процессе строительства, а также на этапе продолжающейся ныне эксплуатации этих тоннелей. С 2009 по 2013 год регистрация ЕЭМИ в выработанном пространстве тоннелей, а также на поверхности над ними велась в ручном режиме (переносными прибором регистрации). С декабря 2013 года по настоящее время получены данные о ходе вариаций ЕЭМИ при регистрации в режиме непрерывного автоматизированного мониторинга. В период 2013 – 2022 выполнены наблюдения ЕЭМИ при подготовке и реализации землетрясений с магнитудами М = 4.3-4.7 как в ручном режиме, так и в режиме долгосрочного мониторинга (измерения до и после землетрясения от нескольких
часов, до нескольких месяцев). Также в первом приближении получены некоторые взаимосвязи ЕЭМИ горных пород c НДС постоянных обделок транспортных тоннелей при совместных долгосрочных наблюдениях этих параметров.

Поезд на Забайкальской железной дороге. Источник: www.rzd.ru

Аппаратура и визуализация ЕЭМИ

Регистрация параметров ЕЭМИ производилась при помощи аппаратуры типа «Ангел» – это собственно аппаратура «Ангел», производства ВНИМИ (1998 г.), а также ее модификация ANGEL-M (2015 г.), аппаратура ERA-EMI и собственные разработки НИО «ЛМГТ» – аппаратура EMI-PM, EMI-1K и EMI-3K (изготовление НПП «ЭРА-Макс», г. Санкт-Петербург).

Частотный диапазон 1-500 кГц.

Углубленная интерпретация распределения параметров нестационарных геофизических полей, связанных с разрушением горных пород для решения задач контроля и прогнозирования состояния массивов горных пород и конструкций капитальных выработок
выполняется средствами визуализации в частотной области данных ЕЭМИ.

Масштабные уровни регистрации ЕЭМИ

Многочисленными лабораторными исследованиями было показано, что ЕЭМИ связано с развитием процессов микротрещинообразования и возникает в процессе разрушения материала. Эта особенность аномалий ЕЭМИ аналогична как на уровне лабораторных испытаний, так и для крупномасштабных исследований, включая взрывы и землетрясения. Нами также проводились лабораторные испытания, результаты которых более подробно изложены в [4].

Аналогичные сигналы нами получены и при натурных исследованиях в различных горных выработках. При натурных экспериментах в отличие от измерений на образцах – многочисленные сигналы от деформирующихся неоднородностей в горной породе сливаются в общий интегральный фон, дифференцируемый при визуализации амплитудно-частотных характеристик. По увеличению амплитудного уровня на характерных для материала частотах определяются интервалы сооружения, в области которых в породе и/или конструкциях весьма вероятно протекают интенсивные геодинамические процессы. Здесь критически важен учет техногенных помех.

Другим, более грубым способом обработки результатов регистрации ЕЭМИ является осреднение каждого сигнала и экстракция амплитудного параметра «А» – средней амплитуды импульсов зарегистрированных в заданный промежуток времени (10-80 сек) в полосе частот 30-50 кГц (центральной полосе для регистрирующей аппаратуры).

Амплитудный параметр «А» рассчитывается, в выбранном интервале записи, как среднее арифметическое по абсолютным (выпрямленным) значениям отсчетов или их квадратов. Затем с учетом усиления пересчитывается в микровольты.

Таким образом, решается вопрос оперативности передачи мониторинговой информации по телекоммуникационным сетям, хотя и с потерей большой части информации – объем памяти, занимаемой файлом при осреднении, снижается более чем в 1000 раз.

Однако задача регистрации значимых аномалий ЕЭМИ при такой схеме осреднения все же решается. Примером служит поведение амплитудного параметра «А» при реализации сейсмических событий.

В работе [5] предприняты попытки поиска прогнозных критериев сейсмособытий по данным автоматизированной системы  комплексного геотехнического мониторинга в транспортных тоннелях Сочи – подробно рассмотрен случай регистрации ЕЭМИ придостаточно мощном землетрясении (mb = 4,7) 30 мая 2012 года. Аналогичный случай реакции амплитудного параметра «А» на землетрясение, показан на рис. 1. Показаны ночные и дневные интервалы измерений ЕЭМИ по одной из замерных станций автоматизированной системы комплексного геотехнического мониторинга. В период с 3:57 по 4:01 1.09.2020 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 минуты.

Рисунок 1. Реакция амплитудного параметра «А» на землетрясение 1.09.2020 (измерения ЕЭМИ по автоматизированной системе геотехнического мониторинга, амплитудный параметр «А»)

Вопрос стабильной регистрации ЕЭМИ при подготовке и реализации 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 при регистрации ЕЭМИ отмечается всеми исследователями, работающими в данном направлении и здесь вопросов значительно больше чем ответов.

Источник: sochi.com

Результаты долгосрочной регистрации ЕЭМИ, НДС и температуры воздуха

Температурные колебания значений по датчикам НДС за весь период находятся в пределах 1-4 МПа с четко выраженной 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.

В начале эксплуатации тоннелей напряжения в монолитной железобетонной обделке развиваются интенсивнее. По линиям тренда для датчиков НДС можно сделать вывод о плавном увеличении напряжений в обделке с последующей стабилизацией в течение 1 — 4 лет после начала эксплуатации.

В начале эксплуатации тоннель и вмещающий массив приходят в равновесие. Накопленных электрических зарядов на бортах микротрещин, микродефектов, микронеоднородностей, трещиноватости больше и первое время происходит их активная
компенсация.

Сезонные колебания ЕЭМИ идентичны в течение всего периода наблюдений, но отличаются по интенсивности в начале измерений (с 2013 по 2017 г). 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 гг.;
— с декабря 2016 – января 2017 по июнь 2017 г.;
— с января 2018 по май 2018 г.;
— с ноября 2018 по июнь 2019 г.;
— с января 2020 по июнь 2020 г.

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. Наблюдаются локальные и основные максимумы.

Максимумы ЕЭМИ наблюдаются:
— в марте-апреле 2014 г. – локальный;
— в августе 2014 г. – основной;
— в феврале-апреле 2015 г. – локальный;
— в августе 2015 – основной;
— в мае-июне 2016 г. – локальный;
— в июле-августе 2016 г. – основной;
— в январе 2017 г. – локальный;
— в августе 2017 г., августе 2018 г., августе 2019 г., августе 2020г.

Локальные максимумы ЕЭМИ связываются с резким перепадом температур, основные максимумы ЕЭМИ – с максимальными температурами.

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.

Из основ механики горных пород [6] известно, что напряженное состояние пород вокруг капитальных и подготовительных выработок определяется несколькими факторами.

Первую группу факторов составляют пространственно-геометрические параметры рассматриваемых выработок.

Ко второй группе относятся деформационные характеристики пород в непосредственной близости от контура выработки, поскольку именно эта часть массива воспринимает дополнительные нагрузки при образовании выработок.

Третья группа факторов охватывает особенности естественного поля напряжений в нетронутом массиве, т.е. до проведения выработок. Наконец, четвертую группу факторов составляют характеристики воздействий на породы вокруг выработки в процессе ее проходки и дальнейшей эксплуатации. Наибольшее значение среди факторов этой группы имеют динамические нагрузки, а также изменение свойств пород под влиянием движения воды и воздуха и изменения температурного режима.

Источник: www.telt-sas.com

По данным долгосрочных наблюдений в рассматриваемых тоннелях можно исключить влияние каких-либо аномальных изменений напряженного состояния горных пород вокруг тоннелей на данные ЕЭМИ – данные мониторинга НДС показывают плавный тренд с выходом на последующую стабилизацию по результатам долгосрочных наблюдений.

Для материала тоннельной обделки – бетона – лабораторными экспериментами [7] также показаны изменения характеристик ЕЭМИ после воздействия повышенных температур. Эти эксперименты по регистрации ЕЭМИ от образцов бетона показывают, что для образцов после нагревания до разных температур формы сигналов ЕЭМИ похожи по форме, но различаются по интенсивности. Влияние температурных воздействий на напряженно-деформированное состояние обделок тоннелей представлено в [8], здесь дается механизм изменения раскрытия трещин, четко коррелирующий с изменением температуры воздуха в тоннеле, при понижении температуры – трещины раскрываются, при повышении – закрываются.

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, ведущих к смыканию и размыканию существующих в них микродефектов и микротерщиноватости. Схематично такой механизм показан на рисунке 2.

Рисунок 2. Схематическое изображение возникновения ЕЭМИ при сжатии и расширении микродефектов в трещинах горного массива вокруг тоннеля и в материалах конструкций.

Так, в стабильном сжатом состоянии фиксируются минимумы импульсов ЕЭМИ (1), при растяжении массива и материала обделки происходит разделение зарядов на бортах микродефектов (2) и происходит 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. Периоды сжатия и растяжения тесно связаны с температурными колебаниями, в связи с этим возникает сезонность ЕЭМИ.

Выводы:

Результаты долгосрочной регистрации ЕЭМИ по системе автоматизированного геотехнического мониторинга отражают цикличные изменения свойств прилегающего к тоннелям горного массива в тесной взаимосвязи с температурным режимом. На различных участках выявлено, что связь эта не прямая и не постоянная – она может зависеть от структурного состава вмещающих горных пород, материалов и конструкций обделок железнодорожных 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. Необходимо более подробно изучить вопросы возникновения и развития цикличности и сезонности в данных ЕЭМИ, в том числе и в связи их 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. Открытым также остается вопрос о влиянии и учете техногенных помех. Очень часто полезный сигнал невозможно отличить от случайной импульсной (не регулярной помехи).

Однако настоящая работа как раз дает возможность на больших рядах данных увидеть, что, несмотря на большое количество техногенных помех в действующих транспортных (железнодорожных) электрифицированных тоннелях удается регистрировать ЕЭМИ системы «обделка тоннеля – вмещающий горный массив».

Важным аспектом является и подтверждение возможности контроля современной динамики горных пород и конструкций тоннелей, выявление стабильной цикличности соответствующей нормальному функционированию систем «обделка тоннеля – вмещающий горный массив». Это особенно важно, учитывая прогнозный характер ЕЭМИ.

Необходимо дополнительно заметить, что представленные результаты получены по осредненным данным. Спектрограммы сигналов ЕЭМИ предоставляют более полную информацию по каждому измерению, ярко отражающую структуру излучения, а,
следовательно, и динамику геомеханическогого процесса в массиве. Сейчас данные спектрограмм используются нами при изучении процессов деформации образцов различных материалов и при однократных измерениях в тоннелях, но не в режиме полноценного непрерывного мониторинга. Эти работы продолжаются, и в дальнейшем будет оцениваться ЕЭМИ, возникающее на последующих этапах жизни опытных подземных сооружений.

Список литературы:

1. Wang, Enyuan, Xue-qiu He, Xiaofei Liu and Wenquan Xu. “Comprehensive monitoring technique based on electromagnetic radiation and its applications to mine pressure.” Safety Science 50 (2012): 885-893.

2. Xuelong L., Enyuan W., Zhonghui L., Zhentang L., Dazhao S., Liming Q. Rock Burst Monitoring by Integrated Microseismic and Electromagnetic Radiation Methods. Rock Mechanics and Rock Engineering, November 2016, Volume 49, Issue 11, pp 4393–4406.

3. Каталог импульсных электромагнитных предвестников землетрясений / АН СССР, Ин-т физики Земли им. О. Ю. Шмидта; [Составители Н. Н. Никифорова и др.]. — М. : Наука, 1991. — 126,[2] с. : ил.; 20 см..

4. Romanevich K., Basov A. Assessment of mutual influence of underground constructions on electromagnetic radiation emitted by fractured rock. Paper proceedings ITA — AITES WORLD TUNNEL CONGRESS, Dubai International Convention & Exhibition Centre, UAE, 21 — 26 April 2018, pp. 3575 – 3581.

5. Kataev S.G., Lebedev M.O., Romanevich K.V., Kuleshov V.K., Shlyaev S.А. Search for predictive criteria for seismic events according to the automatic system complex geotechnical monitoring in Sochi transport tunnels. 15th Conference and Exhibition Engineering and Mining
Geophysics 2019, Gelendzhik 2019, 2019, pp. 571–581. (In Russian).

6. Турчанинов И.А., Иофис М.А., Каспарьн Э.В. Основы механики горных пород. Л. «Недра», 1977. 503 с.

7. Dexing, L., Enyuan, W., Xiangguo, K., Shuai, Z., Yanhui, K., Xiaoran, W., Dongming, W., & Quanlin, L. (2018). Mechanical properties and electromagnetic radiation characteristics of concrete specimens after exposed to elevated temperatures. Construction and Building Materials 188 (2018),p. 381-390.

8. Трунев В.Г. Влияние температурных воздействий на напряженно-деформированное состояние обделок тоннелей БАМа : диссертация кандидата технических наук : 05.23.15 / Ленингр. ин-т инж. железнодорож. транспорта. – Ленинград, 1990. – 170 с.