Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Определение упругих характеристик низкоскоростных пород, перекрытых высокоскоростным слоем обделки тоннеля, по материалам сейсморазведки

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Определение упругих характеристик низкоскоростных пород, перекрытых высокоскоростным слоем обделки тоннеля, по материалам сейсморазведки"

9 15-4/14

На правах рукописи

БОЙКО Олег Владимирович

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УПРУГИХ ХАРАКТЕРИСТИК НИЗКОСКОРОСТНЫХ ПОРОД, ПЕРЕКРЫТЫХ ВЫСОКОСКОРОСТНЫМ СЛОЕМ ОБДЕЛКИ ТОННЕЛЯ, ПО МАТЕРИАЛАМ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ

Специальность 25.00.10 - Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Санкт-Петербург - 2015

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный» и ОАО «Научно-иследовательский проектно-изыскательский институт «Ленметрогипротранс»

Научный руководитель - доктор геолого-минералогических наук, профессор Телегин Александр Николаевич

Официальные оппоненты:

Буценко Виктор Владимирович - доктор геолого-минералогических наук, ФГУП «ВНИИОкеангеология им И.С.Грамберга», заведующий сектором геофизических исследований;

Половков Вячеслав Владимире вич - кандидат геолого-минералогических наук, ООО "Сейсмо-Шельф", начальник геофизического отдела.

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Защита состоится 7 октября 2015 г. в 16 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.01 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. 1163.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru. Автореферат разослан 17 июля 2015 г.

/

УЧЁНЫЙ СЕКРЕТАРЬ КИРЬЯКОВА

диссертационного совета Ирина Геннадьевна

Общая характеристика работы Актуальность исследования. При проектировании, строительстве, реконструкции и мониторинге состояния транспортных и других тоннелей, для расчета их конструкции необходимы динамические и статические деформационные, а также прочностные характеристики вмещающих пород. Эти

характеристики определяют геотехническими методами, исследуя породы в условиях естественного залегания и в образцах. Геотехническими методами определяют статические деформационные и прочностные характеристики пород в отдельных точках по трассе тоннелей. При большой протяженности тоннеля эти методы требуют больших затрат и не дают непрерывного прогноза геологических условий вдоль трассы проектируемого или реконструируемого тоннеля.

Для оценки статических деформационных и прочностных характеристик пород (модулей деформации и упругости, а также сцепления и угла внутреннего трения) используют их корреляционные связи с динамическими свойствами пород. Динамические деформационные характеристики (модули Юнга, сдвига, всестороннего сжатия, коэффициент Пуассона) в свою очередь аналитически связаны со скоростями распространения продольных и поперечных сейсмических волн.

Таким образом, по скоростям распространения продольных и поперечных волн можно рассчитывать динамические и оценивать статические деформационные, а также прочностные характеристики вмещающих пород.

При нарастании скоростей с глубиной изучение скоростных характеристик геологического разреза не вызывает сложностей и выполняется по стандартным методикам сейсмических исследований, в частности методом преломленных волн.

При инверсии скоростей в исследуемом разрезе (высокоскоростной слой, перекрывающий изучаемый разрез пород), головные волны в низкоскоросгном слое не образуются, и определение скоростных характеристик методом преломленных волн становится невозможным («эффект экранирования»). В таких

случаях для определения упругих свойств пород обычно рекомендуется проведение сейсмических работ в специальных скважинах, что значительно удорожает проведение исследований.

В работе рассматриваются особенности распространения упругих волн в низкоскоростных породах, перекрытых высокоскоростным слоем обделки тоннеля, и способы обработки сейсмических материалов позволяющие изучать структуру, свойства и состояние массива вмещающих пород. Эти особенности сформулированы в виде защищаемых положений, обоснованию каждого из которых посвящена отдельная глава работы.

Необходимость таких исследований обусловлена контролем за состоянием тоннелей (мониторингом, ремонтом обделок), потребностью в увеличении их пропускной способности за счет реконструкции (расширение однопутных тоннелей), а также проходкой нового тоннеля рядом с существующим. Во всех этих случаях задачу определения упругих характеристик вмещающих пород можно решить с помощью сейсмических исследований из действующего тоннеля.

Цель работы: выявление особенностей распространения продольных и поперечных волн, позволяющих определить их скорости в низкоскоростных вмещающих породах перекрытых высокоскоростным слоем обделки тоннеля, по материалам сейсморазведки и, на их основе, оценить коэффициент крепости пород (по Протодьяконову М. М.).

Основные задачи исследования:

• определение скоростей продольных и поперечных волн во вмещающих породах, в тоннелях с высокоскоростной обделкой, без привлечения дополнительных методов исследования;

• оценка коэффициента крепости пород (по Протодьяконову М. М.) по скоростям распространения продольных и поперечных волн.

Научная новизна:

• показано, что если длина сейсмической волны значительно больше мощности верхнего высокоскоростного слоя, на его поверхности регистрируются продольные волны распространяющиеся по нижележащим иизкоскоростпым породам;

• предложен способ вычисления скоростей распространения поперечных волн по значениям фазовых скоростей волн рэлеевского типа, который позволяет производить расчеты при неполной информации о дисперсии скоростей, используя имеющиеся сведения о параметрах верхнего слоя;

• выявлена статистическая зависимость коэффициента крепости пород (по Протодьяконову М. М.) от скоростей распространения продольных и поперечных волн, которая позволяет прогнозировать прочность пород на сжатие на этапе предпроектных изысканий.

Защищаемые положения:

1. При длине сейсмической волны существенно превышающей мощность верхнего высокоскоростного слоя, на его поверхности регистрируются продольные волны, распространяющиеся по нижележащим иизкоскоростным породам;

2. Предложенный способ вычисления скоростей распространения поперечных волн в слоистой среде, по значениям фазовых скоростей волн рэлеевского типа с учетом потенциала их смещения, позволяет проводить расчеты при неполной информации о дисперсии скоростей волн рэлеевского типа, используя имеющиеся сведения о параметрах верхнего слоя.

3. Предложенный способ оценки коэффициента крепости пород (по Протодьяконову М. М.), в зависимости от упругих параметров сейсмических воли, позволяет прогнозировать прочность пород на сжатие на этапе предпроектных изысканий.

Практическая ценность:

• определения скоростей продольных и поперечных волн массива пород заобделочпого пространства, для вновь строящихся и реконструируемых тоннелей, в том числе при наличии высокоскоростного слоя обделки, без привлечения дополнительных методов исследования;

• оценка коэффициента крепости пород (по Протодьяконову М. М.) по материалам сейсморазведки.

Достоверность полученных результатов подтверждается положениями теории упругости, математическим моделированием, а также сопоставлением деформационно-прочностных характеристик,

оцененных по скоростям распространения упругих волн с результатами геотехнических испытаний этих пород в условиях естественного залегания и по их образцам в лабораторных условиях.

Личный вклад автора:

• постановка задачи исследования;

• способ определения скоростей поперечных волн по фазовым скоростям волн рэлеевского типа;

• выявление корреляционной зависимости между упругими параметрами сейсмических волн и коэффициентом крепости пород (по Протодьяконову М. М.);

• проведение сейсмических исследований и обработка материалов, в том числе и предложенными способами.

Апробация работы. Предложенные в работе технологии проведения сейсмических исследований и способы обработки полученных материалов, применяются более 10 лет в ОАО НИПИИ «Ленметрогипротраис». Работы проводились в тоннелях, планируемых к реконструкции, а также па участках горных пород и грунтов где предполагается проходка новых тоннелей, параллельных уже существующим.

Отчеты по результатам работ защищались в различных строительных и проектных организациях: ОАО «Бамтоннельстрой», ДКРС Сочи ОАО РЖД, ООО ПИИ Бамтоинельпроект, ОАО Мегрострой и др.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 печатные работы, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованном ВАК Минобрпауки России.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю д.г.-м.н., профессору Телегину Александру Николаевичу.

Автор благодарен за участие в обсуждении основных результатов и советы по рассматриваемым в диссертации вопросам всему коллективу кафедры ГФХМР.

Автор благодарен зам. директора по науке НИПИИ ЛМГТ, д.т.п. Безродному Константину Петровичу и зав. лабораторией НПО

НИПИИ ЛМГТ д.т.н., профессору Гендлеру Семену Григорьевичу за инициацию работы над диссертацией.

Автор благодарит сотрудников Лаборатории динамики упругих сред физического факультета СПбГУ и, в частности А. Пономаренко за помощь в проведении математического моделирования.

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, 4~ глав, заключения и библиографии. Содержит 135 страниц текста, 73 рисунка и 6 таблиц. Библиография содержит 70 наименований.

Основное содержание работы

Обоснованию первого защищаемого положения: «При длине сейсмической волны существенно превышающей мощность верхнего высокоскоростного слоя, на его поверхности регистрируются продольные волны по нижележащим низкоскоростным породам» посвящена глава 1.

Приводится обзор теоретических и практических исследований касающихся особенностей распространения упругих волн в низкоскоростных породах, перекрытых высокоскоростным слоем.

Распространение сейсмических волн описывается или на основании принципа Гюйгенса-Ферма: «волна распространяется между двумя точками по такому пути, который требует наименьшего времени для ее распространения» - так называемая геометрическая (лучевая) сейсмика; или на основании принципа Гюйгенса-Френеля: «каждая точка, до которой дошло возбуждение, является центром вторичных волн» - учитывает явление дифракции сферических волн.

При наземных сейсмических исследованиях в верхней части геологического разреза (ВЧР) скорости обычно нарастают с глубиной. То же самое происходит и в горных выработках без обделки или с обделкой, материал которой имеет скорости упругих волп ниже, чем во вмещающем массиве пород.

Распространение упругих волн по поверхности высокоскоростного слоя, подстилающего низкоскоростной слой, является основой МГ1В и не вызывает сомнений.

В случае инверсного распределения скоростей с позиций геометрической сейсмики в первых вступлениях должны регистрироваться прямые волны (продольная, поперечная) по верхнему высокоскоростному слою и волны рэлеевского типа. Волна, распространяющаяся в низкоскоростном слое, не выходит на поверхность высокоскоростного слоя и не регистрируется.

Подобная ситуация должна наблюдаться и при работах в тоннелях с высокоскоростной обделкой, однако при многочисленных сейсмических наблюдениях на её поверхности регистрируются продольные упругие волны, распространяющиеся вдоль границы раздела в низкоскоростной среде (рисунки 1 и 2).

Объяснение этого явления связано с соотношением мощности верхнего слоя и преобладающей длиной волны сейсмического импульса (Л. М. Бреховских, Ю. В. Ризниченко, И. А. Викторов и др.). Волны распространяются по законам геометрической сейсмики

при уменьшении скорости с глубиной = >1) если

. 2лЬ п~ -1 V ,

Л « и, при ее увеличении с глубиной {п — ¥ ,, < 1 )

т у\

если Л « 2тгИт 1 — п2 , т.е. при относительно большой мощности

верхнего слоя (Ь|) по сравнению с длиной волны (А.), где т = -

Р

отношение плотностей полупространства и слоя.

Таким образом, если длина волны значительно больше мощности слоя, принципы геометрической сейсмики не действуют, распространение волн происходит в соответствии с общим принципом Гюйгенса-Френеля (рисунок 3) и, образующаяся в низкоскоростном слое волна, регистрируется на поверхности высокоскоростного слоя.

Чем больше значение Л/И, тем интенсивнее регистрируемые па поверхности высокоскоростного слоя волны, распространяющиеся вдоль границы раздела по нижележащему низкоскоростиому слою. При проведении сейсмических работ в тоннелях мощность верхнего

высокоскоростного слоя, как правило, меньше длины регистрируемой волны, в 3 и более раз.

Приведенные в работе результаты сейсмических наблюдений в тоннелях с высокоскоростной обделкой, могут служить практическим доказательством образования упругих воли параллельных границе раздела в низкоскоростной среде и возможности их регистрации на поверхности высокоскоростного слоя обделки. Эти результаты в совокупности с теоретическими исследованиями могут служить обоснованием первого защищаемого положения.

Обоснованию второго защищаемого положения: «Предложенный способ вычисления скоростей распространения поперечных волн в слоистой среде, по значениям фазовых скоростей волн рэлеевского типа с учетом потенциала их смещения, позволяет проводить расчеты при неполной информации о дисперсии скоростей волн рэлеевского типа, используя имеющиеся сведения о параметрах верхнего слоя» посвящена глава 2.

На сейсмических записях, при исследованиях в тоннелях с различным геологическим строением, поперечные волны по породам заобделочного пространства, в большинстве случаев не выделяются. Использование источников поперечных волн в тоннелях технически затруднено. В случае тонкой высокоскоростной обделки импульс от источника возбуждения передастся в нижнюю среду по нормали к поверхности, поэтому обменные волны не возникают (Бродов Л.Ю.). Однако, на сейсмических записях уверенно прослеживаются волны рэлеевского типа (рисунок 4), свойства которых можно использовать для расчета скоростей поперечных волн, в частности, по дисперсионным кривым фазовых скоростей волн рэлеевского типа.

Используется четыре основных способа вычисления скоростей поперечных волн по скоростям волн рэлеевского типа.

Два первых способа, предложенные Толстым И. в 1955 г. и Воронковым O.K. и Маровым В.И. в 1974 г., являются

аналитическими, использующими различные положения теории упругости и рассматривающими модель «низкоскоростной слой на высокоскоростном полупространстве». При их использовании расчет полной дисперсионной кривой не нужен. Это позволяет использовать для расчета скоростей поперечных волн только наблюденную фазовую скорость волны рэлеевского типа на участках сейсмограмм с выдержанной частотой этих фаз. Расчеты этими способами произведены, исходя из скоростей волн рэлеевского типа, и плотности пород, как верхнего слоя, так и нижележащего полупространства, а так как они в реальных условиях неизвестны, то, по сути, эти дисперсионные кривые можно использовать только методом подбора.

Третий способ, предложенный в 1989 г. Stokoe К. H. II, Rix G. J., и Назаряном С., использует в расчетах дисперсионные кривые фазовых скоростей воли рэлеевского типа. Способ основан на спектральном анализе поверхностных волн (SASW), регистрируемых на различных удалениях.

В последнее время, широко используется способ многоканального анализа поверхностных волн (MASW), предложенный в 1999 г. Choon В. Park, Richard D. Miller, and Jianghai Xia. При расчетах этим способом также вычисляются дисперсионные кривые фазовых скоростей воли рэлеевского типа, но за счет использования многоканальной записи удается разделять моды рэлеевских воли и ослабить влияние помех. Этот способ реализован в различных обрабатывающих системах (RadExPro_201 1 и SeisImager/SW и др.) и повсеместно используется.

Определение скоростей поперечных волн в двух последних способах сводится к изменению параметров заданной модели и итеративному сравнению вычисленной дисперсионной кривой с экспериментальной. Эти способы являются «дисперсионными» и позволяют проводить расчеты для разрезов с увеличением скоростей с глубиной и для инверсных разрезов. Для их применения необходим расчет полных дисперсионных кривых фазовой скорости волн рэлеевского типа.

В работе предложен аналитический способ расчета скоростей поперечных волн по фазовой скорости наблюденной волны рэлеевского типа для двухслойной и многослойной модели исходя из известных параметров слоев, участвующих в ее формировании.

Для расчетов используются следующие параметры: ^ - длина волны рэлеевского типа, Ур/,..., Ур„ - скорости продольных волн по слоям, - скорость поперечных волн Г" слоя, Уя - скорость наблюденной волны рэлеевского типа, - мощность первого слоя. Скорости продольных волн и поперечной волны верхнего слоя, его мощность и длину волн рэлеевского типа можно определить обработкой материалов сейсморазведки или они известны (бетонная обделка тоннеля, выполненная в соответствии с проектом).

За основу при выводе предложенного способа расчетов использовано известное уравнение потенциалов смещений для плоских рэлеевских волн (Викторов А. И.; Шериф Р., Гелдарт Л.):

<р = . горизонтальный потенциал смещения;

X - Ве^. вертикальный потенциал смещения;

где: А, В - коэффициенты, зависящие от интенсивности сигнала;

N = 2я I Л \ х - расстояние от

источника волн; Уя, Ур, У* - скорости волн Рэлея, продольной и поперечной; I - время распространения волны; А - длина волны; /? -глубина на которой определяется потенциал.

Используя уравнения средней скорости для двух слоев различной мощности выраженной через длину волны рэлеевского типа можно записать:

/ 2 > / 1 \

2 УК 1 V

т = 1 V ; п~ = 1 1 у,. ~

V Р V л /

А1

1 1 — /1 1

^1 К/?2 Л

где: У|<|, Уц2, Ук - скорости воли Рэлея для

слоя, полупространства и результирующая волна рэлеевского типа, соответственно.

Так как нас не интересует абсолютная величина потенциала смещения и его изменение в зависимости от удаления от источника, то в дальнейших расчетах используем полный «приведенный»

ф + X

потенциал смещений для плоских волн Рэлея (с/с = ).

2

В результате преобразований получены соотношения, которые являются хорошим приближением к строгому решению для двухслойной модели:

к = (,)

2

где: Д = 1 - + - нормализующий коэффициент.

По опыту наземной сейсморазведки в верхней части разреза, как правило, выделяются три горизонта: слой рыхлых современных отложений, слой выветрелых коренных пород и слой относительно более «сохранных» коренных пород. Использование зависимости (1), для «слоя на полупространстве», в случае трех и более слоев приводит к погрешности в определении скоростей и мощности слоев.

Для повышения точности и возможностей способа он расширен на разрезы, содержащие не мене трех слоев. В общем виде используемая зависимость выглядит следующим образом:

V Я

Д-<£ (Д -^ )-(Д -</<?) (А -сЩ )-(А 1 1 2 2 1 1 + п п п-

V V V

Я

п-\

(2)

п

Ъ *2

где: п - количество слоев.

Затем, подставляя полученные значения скорости Рэлся (3) и приравнивая к 0, находим

V

в формулу

V»

\л

V ' Sn у

V.

^п У

24 - 16

V*

V

V у Рп у

VRГ

Vs,w

-16

1 -

V

Рп у

(3)

где: УрП, скорости продольных и поперечных волн слоя. Определение скоростей распространения поперечных волн можно выполнять двумя способами:

20 40 60 80 100 I. пк-

Рисунок 1 - Сейсмограмма по тоннелю. Шаг сейсмоприёмников -5 м. 1 - продольная волна по бетону толщиной 0,5 м, 2 - фазы продольной волны по вмещающим породам, 3 - фазы волны рэлеевского типа.

25 50 75 100 I. пк-

РисуНОК 2 - Сейсмограмма по тоннелю. Шаг сейсмоприёмников -5 м. 1 - продольная волна по бетону толщиной 0,7 м, 2 - фазы продольной волны по вмещающим породам.

о

при У>У/, в случае если длина волны много больше мощности верхнего слоя.

Рисунок 4 - Сейсмограмма по тоннелю. Шаг между сейсмоприемниками 5 м. Толщина бетонного слоя около 0,5 м. На сейсмограмме видно характерное уменьшение фазовой скорости волны рэлеевского типа и её частоты (явление дисперсии) при удалении от источника возбуждения.

У/г/Уг2 » .ООО

0.900

о.воо

0.700

о.воо 0.500 0.400

о.зоо 0.200 о.юо

О.ООО

--- ф _ 1^9 /г,о

• т 3 л • 9 .....

V) \Л _____ ™ * -1 1,« /2,о

- ■- - -

—^ о,: /2,а

ь/л

Т-У^^1^- у- л^«' / -

. ^ . - М __р,

---* * ^ т ' '"-Ль ** - ъ * * т —

— г- - ¿-^-Ц*

О.ОО О.Ю 0.20 О.ЗО 0.40 0.50 О.бО 0.70 0.80 0.90 1.00

Рисунок 5 - Сравнение дисперсионных кривых вычисленных различными способами: 1 - графики, рассчитанные по способу И. Толстого; 2 - графики, рассчитанные по способу О. К. Воронкова; 3 - графики, рассчитанные предложенным способом.

—ар

го: 2450 М Граниты серые биотнт-роговооб манховые

Породы слабой и средней устойчивости (=2-А

Я

ПК 2460 м Граниты серые бкотит-роговообманковые по трещинам слабые нвыветрелые Породы неустойчивые за счет пересеченности трещинами

ПК 2470 м Граниты серые Ьиотит-роговооб маик овы е

Породы устойчивые и средней устойчивости

VI-, м/с

4БО

1=4 Г=4-5

Интервал изменения/по С ев ераМуйгкому тоннелю

2448 2452 2456 2460 2464 2468 ПК,М

Рисунок 7 - фрагмент геологического описания участка Северо-Муйского тоннеля и интервал изменения f определенный по скоростям продольных и поперечных волн._

О Ю 20 ЗО 40 50 1. Гц

Рисунок 6 - Сравнение дисперсионных кривых вычисленных различными способами: I - дисперсионная кривая скорости волны рэлеевского типа (Уг), из учебного примера программы ЯасШхРго; 2 - то же, вычисленная по скоростной модели рассчитанной с помощью программы Яа(ЗЕхРго; 3 - то же, по скоростной модели рассчитанной предложенным способом для трехслойной модели; 4 - то же для двухслойной модели.

4 -1

\ • ► * У ГГЯг (О: • 0 9 х-М ► н|

< • ш

-у N • _ --1 1 ■

- •• 1 р ■» - а 936

• ^ к '< г 1 .т" 1 и \

т ||ГГ

■ 1 1 _..... Г 1 Г 1М< нес ПК )

8 9 10 <1 12 13 14 15 16 1 7 18 19 20 1

Рисунок 8 - График зависимости коэффициента крепости пород по Протодьяконову (/) от скоростей упругих волн. 1 - значения скоростей продольных волн; 2 - значения скоростей поперечных волн.

1. В «аналитическом» способе определяется:

• видимая (преобладающая) частота волны рэлеевского типа;

• кажущиеся скорости волны рэлеевского типа на участках с визуально выдержанной частотой;

• используя найденные значения частоты и скорости волн рэлеевского типа по уравнениям (1, 2 и 3) рассчитываются скорости поперечных волн в нижележащем пространстве.

2. В «дисперсионно-аналитическом» способе расчет скоростей поперечных волн в нижележащем пространстве выполняется по уравнениям (I, 2 и 3) используя дисперсионную кривую фазовых скоростей волн рэлеевского типа, рассчитанную обычными программными средствами.

Предложенная аналитическая зависимость позволяет рассчитывать скорости поперечных воли волны в нижележащих слоях, как для разрезов с нарастанием скоростей с глубиной, так и для разрезов с инверсией скорости, как с помощью дисперсионной кривой («дисперсионно-аналитический» способ), так и аналитически, решать как прямые задачи геофизики, так и обратные.

Результаты расчетов, предложенным способом, сравнивались с расчетами другими способами, рассмотренными выше:

1. Сравнение дисперсионных кривых скоростей воли рэлеевского типа рассчитанных для низкоскоростного слоя на высокоскоростном полупространстве предложенным способом и аналитическими способами Толстого-Брсховских и Воронкова-Марова, для различных параметров моделей показало, что они близки между собой (рисунок 5).

2. Сравнение дисперсионных кривых скоростей воли рэлеевского типа, рассчитанных предложенным способом и способом МАВХУ па основе дисперсионной кривой из учебного примера программы Кас1ЕхРго_2011. Математическое моделирование волновой картины согласились выполнить в Лаборатории Динамики упругих сред Физического факультета СПбГУ. Вначале по исходной дисперсионной кривой определялись скоростные модели с помощью предлагаемого способа и модуля МА8\У программы КасШхРго_2011 (обратная задача). Используя

полученпыс скоростные модели, программами "Oases" и «Seismic Unix» рассчитывались поля поверхностных воли (прямая задача) и по ним вычислялись дисперсионные кривые, которые затем сравнивались с заданной дисперсионной кривой из учебного примера модуля MASW программы RadExPro_2011 (рисунок 6).

Дисперсионная кривая, по скоростной модели, рассчитанной предложенным способом, показала лучшую сходимость с исходной кривой. При этом расчеты предложенным способом менее трудоемки и более оперативны.

3. Сравнение результатов определения скоростей поперечных волн предложенным способом и модулем MASW программы RadExPro_201 1 по материалам сейсмических наблюдений на участке размыва Санкт-Петербургского метрополитена.

Контроль результатов осуществлялся по значениям скоростей, полученным другими геофизическими методами (сейсмокаротаж и сейсмопросвечивание). Скорости поперечных воли на глубинах расположения тоннелей метрополитена для песков, в том числе пылеватых (подверженных разжижению) лежат в интервале 300 -650 м/с, для глинистых грунтов 500 - 1100 м/с.

Выполнение расчетов, с помощью программы RadExPro, требует проведения полевых работ по специальной методике. Такие работы не проводились. Получить полную дисперсионную кривую при стандартных сейсмических наблюдениях не удалось. Для компенсации недостающей информации в расчетах использовались известные параметры бетонной обделки (её толщина и скорости упругих волн). Несмотря на это не удалось корректно рассчитать скоростной разрез по поперечным волнам способом MASW.

Предложенным способом получены близкие результаты как при использовании в расчетах дисперсионной кривой, так и при использовании кажущихся скоростей воли рэлеевского типа на участках с выдержанной частотой. Рассчитанные значения скоростей во вмещающих тоннель грунтах лежат в пределах 552 -842 м/с.

4. Кроме того, результаты расчетов предлагаемым способом проверялись с использованием материалов сейсмопрофилирования,

на которых можно достаточно уверенно проследить, как продольные и поперечные волны, так и волны рэлеевского типа. Погрешности определения Уб в результате расчетов на этих примерах не превышают ± 8%, и частично связаны с первичной обработкой сейсмограмм и корреляцией волн.

Результаты проведенных сравнений могут служить подтверждением второго защищаемого положения в том, что предложенный способ вычисления скоростей поперечных волн более универсален, оперативен, менее трудоемок, и более точен, чем другие, существующие способы. Он позволяет производить расчеты в реальных условиях при неполной информации о дисперсии скоростей волн рэлеевского типа, используя имеющиеся сведения об обделке тоннеля.

Обоснованию третьего защищаемого положения: «Предложенный способ оценки коэффициента крепости пород (по Протодьяконову М. М.), в зависимости от упругих параметров сейсмических волн, позволяет прогнозировать прочность пород на сжатие на этапе предпроектных изысканий» посвящена глава 3.

Деформационные и прочностные характеристики вмещающего массива пород используются для:

• расчета конструкций обделок,

• расчета трудоемкости проходки тоннелей, при их проектировании;

• контроля состояния заобделочпого пространства в процессе эксплуатации тоннелей с целью заблаговременного выявления неблагоприятных факторов влияющих на безопасность сооружения;

• расчета сейсмостойкости конструкций.

Определение деформационных и прочностных характеристик массива пород производится геотехническими методами.

Проводятся исследования образцов пород, полученных при бурении, или из стенок шурфов и горных выработок, а также производятся испытания непосредственно на скальных обнажениях и рыхлых грунтах. Геотехническими методами определяют значения

статических модулей деформации (Е„), упругости (Ес) и статический коэффициент Пуассона (у), а также сцепление (С), угол внутреннего трения (ф) и прочность пород на сжатие (осж). Стоимость геотехнических исследований очень высока, поэтому испытания проводятся в отдельных точках по трассе тоннеля.

Обычно при проведении инженерно-геологических исследований, определенные геотехническим методом характеристики пород в отдельных точках, принимают за опорные, а затем, по материалам сейсморазведки, интерполируют и экстраполируют эти характеристики по всей трассе тоннеля.

Сейсмическим методом определяются значения скоростей упругих волн, по которым вычисляются динамические модули упругости, сдвига и всестороннего сжатия, а также динамический коэффициент Пуассона. Далее, используя статистические корреляционные зависимости от динамических параметров переходят к оценке их статических деформационных (Ео, Ес) и прочностных (С, ф) характеристик. Использование сейсмических методов не только позволяет сократить затраты на проведение работ, но и получить прогноз распределения деформационных и прочностных характеристик пород вдоль всей трассы тоннеля.

При проходке тоннеля составляется описание геологического разреза («исполнительная геология») пройденных участков, включающее свойства пород и их прочностные характеристики, в частности коэффициент крепости пород (по Протодьяконову М. М.)

(( ~ сж ), определенный механическими экспресс методами. Как 10

правило, интервал изменения параметра (/) определяется геологами для каждого участка однородных пород (рисунок 7).

Коэффициент крепости горных пород, введенный проф. М. М. Протодьякоповым (старшим) еще в начале XX века, хотя и является эмпирическим понятием, очень широко распространен в горном деле. В настоящее время в горнодобывающей промышленности и при проектировании работ связанных с разработкой и проходкой горных пород «коэффициент крепости» широко используется при различных расчетах, в частности при составлении смет. Знание

значений «коэффициента крепости» на начальном этапе проектирования позволяет оценить стоимость проходки, необходимую конструкцию обделки и запланировать необходимые мероприятия по контролю ее несущей способности.

Экспериментальные зависимости а , для различных типов

пород, от их упругих характеристик составлялись и ранее (Горяинов H.H., Семитко Т.С. в 1975. и Ржевский В.В., Новик Г.Я. в 1984г.). На практике они не применяются, так как у разных авторов зависимости различаются и, кроме того, для их применения необходимо использовать большое количество дополнительной информации (тип и состав пород, статический коэффициент Пуассона, плотность и др.). На ранних этапах проектирования (предпроектные изыскания под строительство) эти данные отсутствуют. Важность построения таких зависимостей состоит в том, чтобы иметь оценку прочностпых характеристик пород уже на начальном этапе проектирования для обоснованных прогнозов трудоемкости и скорости проходки выработок. Уточнение различных параметров проходки и строительства, в том числе и геотехническими методами, происходит на последующих этапах проектирования.

В работе предложен способ оценки коэффициента крепости пород (по Протодьякопову М. М.), по скоростям распространения продольных и поперечных волн, определяемых сейсморазведкой.

На основании сейсмических исследований в различных тоннелях построены экспериментальные зависимости «коэффициента крепости» от скоростей упругих воли (рисунок 8), а также от значений модуля Юнга, для различных типов пород. Между ними выявлена достаточно тесная статистическая связь.

Сопоставление значений скоростных характеристик различных пород и грунтов с величиной «коэффициента крепости» позволило выявить следующие закономерности:

1. Существует логарифмическая зависимость «коэффициента крепости» от скоростей продольных и поперечных волн для пород различной степени сохранности и водопасыщеппости.

2. При изменении состава и генезиса пород характер зависимости практически не меняется.

3. Для рыхлых грунтов (пески, глины и др.) зависимость также логарифмическая (В. И. Бондарев и др.) и является, по сути, её продолжением.

Для определения интервала изменения значений «коэффициента крепости» (/) в различных породах и грунтах можно использовать осредненные зависимости /(У,,) и /(Ух) (рисунок 8). Значения / полученные для скоростей продольных и поперечных волн являются границами интервала изменения/(пример: для участка пород с/= 24 (рисунок 7) определены Ур= 2,7 км/с и У5= 1,85 км/с на рисунке 8 =>/=2.3-4.1).

Представленные материалы могут служить обоснованием третьего защищаемого положения в том, что оценка «коэффициента крепости» для массива пород по упругим параметрам сейсмических воли, предложенным способом возможна уже па этапе предпроектных работ.

В заключительной 4 Главе рассматриваются особенности проведения сейсмических наблюдений и обработки материалов при определении упругих характеристик низкоскоростных пород, перекрытых высокоскоростным слоем обделки тоннеля

Выполнение сейсмических исследований в тоннелях с несущей обделкой отличается от аналогичных сейсмических работ на дневной поверхности. Эти отличия обусловлены как особенностями проведения работ в действующих тоннелях, так и особенностями обработки получаемых материалов (необходимостью учитывать инверсный характер распределения скоростей по разрезу при обработке сейсмических материалов и необходимостью расчета скоростей поперечных волн по скоростям волн рэлсевского типа).

Частоты упругих волн, распространяющихся по обделке тоннеля, достигают 2-3 кГц, диапазон частот волн, распространяющихся по заобделочному пространству, как правило, значительно ниже и составляет от 20 до 700 Гц. Соответственно частотный диапазон регистрирующей аппаратуры должен перекрывать эти значения, т.е.

должна быть возможность выполнять запись на открытом канале с шагом дискретизации пе более 0,00008 с (не менее 4 точек па период). При записи с использованием различных фильтраций, существует вероятность потери части информации об обделке тоннеля - высокочастотный сигнал, или о заобделочном пространстве - более низкочастотный сигнал.

Для уверенного выделения и прослеживания волн различного типа и генезиса необходимо регистрировать сейсмические записи без искажения их амплитуд. При возбуждении упругих колебаний рядом с сейсмоприемииком, скорость смещения может превышать 3 см/с, а в отдельных случаях доходит до 1 м/с. При регистрации «нагоняющих» годографов на дальних сейсмоприемниках (расстояния до 170 м и более) амплитуда сигнала уменьшается до значений, не превышающих 0,0001 см/с. Следовательно, динамический диапазон регистрирующей аппаратуры должен быть не менее 120 дб.

При выборе типа сейсмостанции также необходимо учитывать экстремальные условия работы в тоннеле:

• частое движение поездов;

• отсутствие освещения;

• сильная запыленность тоннеля;

• значительная влажность, течи воды;

• многочисленные и интенсивные техногенные помехи.

• Таким образом, основные требования к сейсмической аппаратуре для работы в действующих или строящихся тоннелях сводятся к следующему:

• динамический диапазон не менее 120 Дб;

• полоса частот от 5 до 3000 Гц (максимальный шаг дискретизации не более 0,00008 с);

• возможность регулировать длительность записи вис зависимости от шага дискретизации;

• возможность регистрации записей без фильтрации;

• степень пыле-влаго защиты оборудования пе ниже IP-65.

В работе произведем анализ характеристик 13 современных сеймостанций. В результате показано, что перечисленным

требованиям удовлетворяют только сейемоетаиции Geode компании Geometries (США) и Эллис производства России.

Проведение сейсмических исследований для определения упругих характеристик низкоскоростных пород заобделочного пространства, перекрытых высокоскоростным слоем обделки тоннеля, подразумевает использование:

1. Специальная регистрирующая аппаратура и оборудование.

2. Технология проведения полевых измерений.

3. Специальная технология обработки сейсмических материалов (включающая приведенные в работе способы).

4. Томографическая (предпочтительно) или другая программа построения сейсмических разрезов.

5. Способы оценки деформационных и прочностных характеристик пород заобделочного пространства.

В главе подробно рассмотрен каждый из этих пунктов.

Отдельные из предложенных в работе способов проведения сейсмических исследований и обработки полученных материалов для определения характеристик пизкоскоростиых пород заобделочного пространства, при наличии высокоскоростного перекрывающего слоя обделки тоннеля, применяются более 10 лет. Работы проводились в тоннелях, планируемых к реконструкции, а также на участках горных пород и грунтов где предполагается проходка новых тоннелей, параллельных уже существующим.

Заключение

В диссертационной работе решена актуальная задача определения упругих характеристик низкоскоростного массива пород перекрытого высокоскоростным слоем обделки тоннелей по материалам сейсморазведки, и на их основе оценки коэффициента крепости пород (по Протодьякопову М. М.).

Основные результаты работы:

1. Определены условия и изложены возможности определения скоростей продольных волн низкоскоростных пород перекрытых слоем высокоскоростной обделки тоннеля. При низкой интенсивности продольной волны по вмещающим низкоскоростпым

породам (отношение Я/И ~3) необходимо производить или уточнение природы зарегистрированных волн с помощью трехкомпонентных сейсмоприемников, или снижать частоту возбуждаемого сигнала.

2. Показаны преимущества предложенного способа определения скоростей поперечных волн по сравнению с другими существующими способами.

3. Предложенный способ оценки коэффициента крепости пород (по Протодьяконову М. М.) по упругим параметрам сейсмических волн позволяет прогнозировать прочность пород па сжатие, производить предварительный выбор конструкций инженерных сооружений и расчет трудоемкости проходки тоннелей уже на этапе предпроектпых изысканий.

Основные публикации по теме диссертации

1. Бойко О. В. Оценка деформационно-прочностных характеристик вмещающих тоннель пород по сейсмическим данным / О. В. Бойко // Записки Горного института, СПб 2004, т. 156, с.86-87.

2. Исаев, Ю. С. Оценка свойств и состояния грунтов за обделкой транспортных тоннелей по данным 20-ссйсмотомографии / Ю. С. Исаев, О. В. Бойко // Известия Тульского Государственного Университета. Серия: Геомеханика. Механика подземных сооружений. Выпуск 3, ТулГУ, - 2005 - С. 73-76.

3. Дорохин, К. А. Геофизические исследования оползневых процессов па участках размещения железнодорожных тоннелей/ К. А. Дорохин, О. В. Бойко// Горный информационно-аналитический бюллетень - 2013 - №4 - С.247-252.

4. Бойко О. В. Использование пссвдорэлесвских воли для изучения упругих параметров пород, вмещающих тоннель, с бетонной или другой несущей обделкой / О. В. Бойко // Естественные и технические пауки №5(67). Москва 2013, с. 162 -167.

РИЦ Горного университета. 03.06.2015. 3.52S. Т. 100 >кч. 199106 С'ипкт-Петербург, 21-я линия, д.2

2015675508

2015675508