Методика и технология 3D-3C сейсмических исследований геологического строения и мониторинга состояния устойчивости горного массива в процессе проходки транспортных тоннелей

Актуальность работы.

Производство горно-технологических работ является сложным процессом, неизбежно связанным с рисками неблагоприятного или опасного развития инженерно-геологических процессов во время строительства и эксплуатации транспортных тоннелей. Согласно принятым в Российской Федерации руководящим документам, инженерно-геологические изыскания под строительство подземных сооружений различного типа проводятся в несколько этапов, на каждом из которых должны решаться определенные федеральными и ведомственными регламентами задачи. В конечном счете, перед производством проходческих работ должны быть получены детальные инженерно-геологические разрезы с оценками прочности и риска потери устойчивости горного массива. Однако, как показывает практика, получение таких оценок с требуемой детальностью сопряжено с рядом объективных проблем, особенно в случае строительства подземных сооружений в пределах городской застройки.

В настоящее время строительство 16-и транспортных тоннелей с общей протяженностью проходки более 16 км в границах г. Большой Сочи осуществляется в сжатые сроки (начало строительства 2010 г., завершение — к 2014 г.) и в максимально сложных условиях, к которым относятся:

• инженерно-геологические условия (неритмичное чередование тонкослоистых разностей, низкие прочностные характеристики, значительная скорость выветривания и др.) — в тектонофизическая обстановка (расчлененный рельеф, развитая система дизъюнктивных и пликативных нарушений, 8−9-ти бальная сейсмичность);

• гидрогеологический режим (грунтовые воды имеют локальное распространение и носят спорадический характер с плохо изученной структурой водонасыщенности горного массива) — плотная застройка территории с преобладанием частного сектора (непреодолимые ограничения в доступности изучаемой трассы тоннеля) и высокая степень техногенной нарушенности (подрезка склонов и т. п.).

Совокупность названных условий существенно ограничивает детальность и качество инженерно-геологического обеспечения всех видов работ, как на стадиях инженерных изысканий, так и во время строительства всей, предусмотренной графиком создания к 0лимпиаде-2014 новой транспортной инфраструктуры. Соответственно, основная нагрузка на обеспечение безопасности и эффективности создаваемой транспортной системы перенесена на активное инженерно-геологическое сопровождение процессов ее строительства (горный мониторинг) и, в особенности, на строительство сооружений особого уровня ответственности — тоннелей.

Целями проведения горного мониторинга в данной обстановке являются: инженерно-геологический и гидрогеологический прогнозы впереди тоннеля на дистанцию не менее 50-ти метров в процессе строительства и последующей эксплуатации тоннелей, оценка напряженно-деформированного состояния горного массива, определение воздействия подземного строительства на окружающие здания и сооружения. Очевидно, что решение подобных задач необходимо искать на основе эффективного применения геофизических методов, которые способны обеспечить дистанционное исследование структуры, свойств и состояния в рассматриваемой динамической системе «геологическая среда-тоннель», что далее определяется понятием «горный массив» .

Анализ известных геофизических технологий и результаты их апробации в начальный период строительства тоннелей в г. Б.Сочи свидетельствуют о необходимости выбора (практически безальтернативного) сейсмического метода, основанного на поляризационном принципе регистрации отраженных волн. Теория и практика успешного применения поляризационных методов сейсмических исследований по схемам вертикального сейсмического профилирования в осадочных бассейнах.

Гальперин Е.И., 1970, Вюгп Раи^оп, 2000 и мн. др.), по существу, определяют все необходимые методические и технологические решения, которые необходимо положить в основу системы регистрации и обработки сейсмических данных в подземной выработке. Практическая реализация этого подхода в условиях проходки транспортного тоннеля требует разработки ряда методических и технологических оригинальных элементов, совокупность которых способна привести к созданию эффективного способа обеспечения безопасности строительства и эксплуатации подземного сооружения.

Цель исследований. Разработка методических и технологических элементов поляризационной системы сейсмических наблюдений по принципу радарного обзора, как способа опережающей оценки устойчивости горного массива с целью обеспечения безопасности и эффективности строительства транспортных тоннелей.

Объект исследований — природная и техногенно измененная геологическая среда в условиях г. Большой Сочи.

Предмет исследований — структура и параметры состояния устойчивости горного массива в процессе строительства тоннеля и возможность оперативного упреждающего прогноза развития опасных техногенных процессов на его забое и на дневной поверхности в зоне городской застройки. Задачи исследований:

1. Анализ существующих методов дистанционного прогноза инженерно-геологических и гидрогеологических условий строительства транспортный тоннелей с учетом конкретной технологии проходки;

2. Разработка модели горного массива, целевые элементы структуры и свойства которой связаны явным образом с объектами риска и с особенностями распространения сейсмических волн;

3. Анализ сейсмических волновых полей при различных интерференционных системах поляризационного приема упругих волн на груди забоя тоннеля и его стенках;

4. Разработка оптимальной технологической схемы графа обработки азимутограмм с целью формирования сейсмического изображения горного массива в сигналах отраженных волн;

5. Разработка оптимального алгоритма прогноза устойчивости массива по атрибутам сигналов отраженных волн на дистанцию не менее 50 метров;

6. Разработка непрерывной системы мониторинга состояния горного массива на основе ЗБ-ЗС сейсмолокации, обеспечивающей безопасный и эффективный технологический режим проходки тоннеля.

Идея работы. Прочность массива горных пород в динамической системе тоннель — массив определяется вполне закономерным процессом эволюции напряженно-деформированного состояния слоистой геологической среды с блоковой структурой и зоны дезинтеграции массива на границах блоков (ранее сформированных современным геодинамическим состоянием и вновь образующихся в процессе проходки тоннеля) представляют собой основные объекты риска потери устойчивости горного массива при пересечении его подземной выработкой. Зоны дезинтеграции естественной и техногенной природы являются контрастными отражателями упругих волн, что определяет безальтернативный выбор сейсмических методов опережающего прогноза и оценки степени риска встречи выработки с опасным объектом. Методика исследований. Методологическую и технологическую основы работы составляют современные методы анализа волновых полей, методы математического и статистического анализов, вычислительные схемы и алгоритмы, методы системного программирования и современные средства регистрации сигналов сейсмических волн. Научная новизна:

1. Обоснована сейсмо-геомеханическая модель горного массива в рамках природно-технической динамической системы, применительно к инженерно-геологическим условиям строительства тоннелей в границах г. Большой Сочи, структура и параметры, которой являются объективной основой для опережающего прогноза развития опасных ситуаций в процессе проходки тоннеля.

2. Разработана интерференционная система ЗБ-ЗС регистрации сигналов отраженных волн с целью синтеза сейсмического изображения массива на дистанцию не менее 50-ти метров от забоя тоннеля.

3. Исследован и сформирован оптимизированный граф обработки волнового поля, зарегистрированного ЗС системой сейсмического приема на вертикальной стенке забоя тоннеля.

4. Разработан оригинальный алгоритм оценки характеристической устойчивости горного массива по параметрам сейсмических волн.

5. Получены уникальные материалы наблюдений распространения сейсмической волны внутри реальной геологической среды. Практическая значимость. Метод ЗБ-ЗС сейсмолокации, в предложенном технологическом варианте, может успешно применяться в процессах строительства и эксплуатации транспортных тоннелей и подземных выработок других типов (шахт, штолен и т. п.) в любых инженерно-геологических условиях.

Личный вклад соискателя. Все рассматриваемые автором положения диссертационной работы разработаны лично им и при непосредственном участии в создании и функционировании системы мониторинга состояния устойчивости горного массива в процессе строительства транспортных тоннелей в г Большой Сочи.

Реализация на производстве. Разработки автора в полной мере использованы при создании системы мониторинга строительства транспортных тоннелей в г. Большой Сочи и обеспечивают снижение экономических и социальных рисков в производственной деятельности. Апробация работы. Основные теоретические и практические результаты исследований автора докладывались на двух конференциях. По теме диссертации, опубликовано шесть работ, из которых одна в перечне рецензируемых журналов, включенных в перечень ВАК РФ.

Исходные материалы. Все исходные материалы получены автором в штатном составе отдела инженерно-геологических изысканий ООО «СочиТрансТоннельПроект ТО-44» при непосредственном участие в производственных процессах инженерно-геологических изысканий, проектирования и строительства транспортных тоннелей в г. Болыиой Сочи. Защищаемые положения, выносимые на защиту:

1. Сейсмогеомеханическая модель, сформированная в рамках природно-технической динамической системы применительно к инженерно-геологическим условиям строительства тоннелей в границах г. Большой Сочи, устанавливает связь кинематических и динамических параметров сейсмических волн с объектами и элементами тектонофизического состояния горного массива, что позволяет оценивать состояние его устойчивости и обеспечивает своевременный прогноз развития опасных ситуаций в процессе проходки тоннеля.

2. Методика и технология оперативного сопровождения строительства тоннеля основаны на принципиально новом подходе применения принципов ЗБ-ЗС сейсмолокации и направлены на опережающий прогноз элементов геологического строения и оценку состояния устойчивости горного массива в процессе горно-технологических работ на дистанцию не менее 50 м от положения регистрирующей системы.

3. Результаты применения метода ЗБ-ЗС сейсмолокации в процессе строительства транспортных тоннелей в условиях г. Большой Сочи в полной мере свидетельствуют о возможности эффективного и достоверного опережающего прогноза устойчивости массива в дальней зоне подземной выработки.

В первой главе «Задачи изучения, оценки н прогноза изменения состояния устойчивости горного массива с целью предупреждения опасных явлений в процессе горно-технологических работ» анализируются возможности и недостатки различных геофизических технологий изучения структуры и параметров устойчивости горного массива в условиях строительства и эксплуатации подземных горнотехнических сооружений. Формулируются проблемы и задачи, требующие решения в сложных условиях проектирования и строительства транспортных тоннелей в г. Большой Сочи.

Во второй главе «Сейсмо-геомеханическая модель динамической системы «геологическая среда — тоннель» «, рассмотрены геолого-геофизические параметры массива горных пород района г. Большой Сочи, выделены основные факторы, влияющие на состояние его устойчивости в процессе горно-технологических работ, и обсуждается принципиальная возможность их оценки по атрибутам сейсмического волнового поля. В третьей главе «Методика и технология ЗБ-ЗС сейсмолокацип структуры, свойств и состояния устойчивости горного массива в процессе проходки транспортного тоннеля» рассмотрены вопросы разработки, оптимальной и оптимизированной к конкретным условиям проходки тоннелей, методики и технологии регистрации упругих волн на основе интерференционной системы поляризационного приема сейсмических колебаний на вертикальной стенке забоя подземной выработки. Сформирован граф обработки полного набора векторных компонент поля сейсмических волн сигналов отраженных волн с целью синтеза сейсмического изображения горного массива на дистанцию не менее 50-и метров от забоя.

В четвертой главе «Результаты применения методики ЗБ-ЗС сейсмолокацип в системе мониторинга состояния устойчивости горного массива в процессе строительства транспортных тоннелей в г. Большой Сочи» приведена полная схема реализации технологии ЗБ-ЗС сейсмолокации в производственном режиме. Обсуждаются результаты опережающего прогноза характеристической устойчивости массива и приводятся выводы о степени верификации количественных оценок параметров устойчивости по фактическим данным проходки тоннелей.

В Заключении сформулированы основные результаты выполненных исследований.

Благодарности Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю диссертации доктору геолого-минералогических наук, зав. кафедрой геоинформатики, профессору Писецкому В. Б. за оказанную помощь в написании работысотрудникам кафедры геоинформатики и кафедры гидрогеологии и инженерной геологии ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» Абатуровой И. В. Емельяновой И.А., Самсонову В. И., Зудилину А. Э., всему коллективу отдела инженерно-геологических изысканий ООО «СочиТрансТоннельПроект ТО-44» за полезные консультации и помощь при постановке и проведении исследований, оформлении работы.

Особую благодарность автор выражает главному инженеру ОАО «Тоннельный отряд № 44» Алексееву A.B. за содействие при апробации и внедрении в производство предлагаемой технологиигенеральному директору ООО «СочиТрансТоннельПроект ТО-44» Векслеру С. Е. за содействие в создании условий для проведения исследований.

Работа выполнена при поддержке ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007;2013 годы» по теме: «Мониторинг напряженно-деформированного состояния массива твердого полезного ископаемого, основанный на принципах сейсмической локации массива впереди забоя выработки», ГК от 17.10.11 г., № 07.514.11.4090.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации, представляющей собой законченную научно-квалификационную работу, содержится решение задачи по разработке методики и технологии ЗВ-ЗС сейсмических исследований геологического строения и мониторинга состояния устойчивости горного массива в процессе проходки транспортных тоннелей, что является принципиально новым направлением в практических геолого-геофизических исследованиях, на стадии разработки горного массива в целях проходки подземных выработок (тоннелей, штолен, штреков и т. п.).

Основные, полученные автором, научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Рассмотрены основные элементы структуры, свойства и параметры устойчивости (стационарности) горного массива в динамической системе, которая формируется в реальных геологических средах в процессах проходки транспортных тоннелей. Проведено обобщение множества материалов, характеризующих свойства и состояние пород сочинской свиты.

2. Разработана сейсмогеомеханическая модель горного массива в рамках ПТС тоннеля применительно к ИГУ строительства тоннелей в границах г. Б.Сочи, структура и параметры которой являются объективной основой для опережающего прогноза развития опасных ситуаций в процессе проходки тоннеля.

3. На основе поляризационных схем регистрации отраженных волн в заданном направлении обзора разработана методика и регламентная технология применения системы ЗВ-ЗС сейсмической локации.

4. Исследован и оптимизирован технологичный граф цифровой обработки материалов поляризационных наблюдений с использованием источников упругих волн импульсного и кодоимпульсного типов.

5. Изучены реальные параметры состояния устойчивости динамической системы «тоннель — массив» и особенности распространения сейсмических волн, непосредственно связанных с этими параметрами, что позволило сконструировать систему интерпретации сейсмических данных, целенаправленную на оперативный и своевременный прогноз риска развития аварийных ситуаций.

6. Получены уникальные сейсмические материалы высокого качества, представляющие научный и практический интерес по проблеме изучения особенностей распространения сейсмических волн в слоистых средах с известными инженерно-геологическими и геодинамическими параметрами.

7. Предложенные метод и технология ЗБ-ЗС сейсмической локации в полной мере, от полевых работ до разработки заключений по итогам интерпретации, внедрены и успешно используются в производственном режиме при строительстве 13 тоннелей, общей протяженностью более 16 км.

8. Произведена оценка эффективности применения методики для прогнозирования инженерно-геологических условий и параметров устойчивости массива по линии проходки тоннеля на дистанцию не менее 50 метров с достоверностью более 70%.