Труды российских конференций

Современное градостроительство (здания с глубокими фундаментами, скоростные подземные путепроводы, коллекторные тоннели глубокого заложения) непрерывно увеличивает нагрузку на геологическую среду, что приводит к изменению естественного гидрогеологического режима и интенсивному развитию карстово-суффозионных процессов. Это требует совершенствования способов оценки состояния грунтов на глубоких горизонтах и контроля процессов взаимодействия действующих объектов с геологической средой, расположенной под ними. При ограниченном числе скважин по данным каротажа и анализам проб удается установить только общую картину напластования грунтов и получить средние оценки их физико-механических свойств. Это не исключает пропуск в интервалах между скважинами таких опасных для строительства неоднородностей, как карстовые полости, суффозионные воронки или локальные очаги плывучих грунтов. С другой стороны, значительная часть изыскательских скважин (более 50 %) вскрывает неизмененные породы и новой геологической информации не содержит.

Данные наземных геофизических методов в городских условиях осложнены высоким уровнем технических и геологических помех и на глубоких горизонтах не обеспечивают требуемой детальности и надежности исследований.

В этих условиях целесообразно использование изыскательских скважин для применения геофизических методов исследования околоскважинного и межскважинного пространства. Перспективным для создания технологии геомониторинга подземной среды является метод радиоволновой геоинтроскопии межскважинного пространства (РВГИ), разработанный в ООО “Радионда LTD”[1,2].

Метод РВГИ основан на поглощении энергии радиоволн породами, расположенными на трассе распространения волны, которое зависит от их электрических характеристик: удельного электрического сопротивления и диэлектрической проницаемости.

Анализ данных, получаемых путем просвечивания межскважинного пространства под разными углами («томографическая съемка») полем дипольного источника, позволяет определять электрические свойства грунтов в естественном залегании и их распределение в изучаемом объеме среды. Аппаратура РВГИ-2005, разработанная в ООО “Радионда LTD”[3], позволяет использовать малогабаритные скважинные установки (1.5 – 3,0 м), электрические антенны и регистрировать в скважине амплитуду осевой компоненты электрического поля на фиксированной рабочей частоте в диапазоне 0.02-30 МГц, а также величину тока в излучающей антенне. Скважинные приборы, управляются с помощью бортового компьютера по оптическому каналу. Рабочая частота и размеры электрических антенн выбираются таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить необходимую дальность исследований, а с другой - разрешающую способность, необходимую для надежного выделения объекта поисков.

Наиболее эффективное применение метода возможно в породах с электрическим сопротивлением от 10 Омм и выше при расстоянии между скважинами до 80 м. Минимальный размер выявляемой неоднородности составляет соответственно от 1 до 6 м. Контрастность электрических свойств неоднородности относительно вмещающей среды, достаточная для ее уверенного обнаружения и локализации, составляет 1:1,5.

При межскважинных исследованиях в низкоомных породах, когда выполняются условия для квазипроводящей среды, по измерениям на одной рабочей частоте можно рассчитать значения эффективных сопротивлений. Если расстояние между скважинами и сопротивление пород позволяют провести измерения на высокой частоте, обеспечивающей условия преобладания токов смещения, то параметром интерпретации являются также значения эффективной диэлектрической проницаемости. При обработке полученных данных используются алгоритмы, учитывающие, как волновые и дифракционные эффекты электромагнитного поля на неоднородностях, так и электрическую анизотропию среды.

В скважинах проводятся межскважинные и скважинно-наземные радиоволновые исследования, а также каротаж, видеокаротаж [3]. По результатам строится 3D геоэлектрическая карта распределения в пространстве значений эффективного электрического сопротивления пород с выделением участков, содержащих геологическую неоднородность. На этих участках при необходимости проводятся детальные исследования с бурением контрольных скважин и измерения РВГИ на максимально высокой частоте. Определяются экспериментальные зависимости между электрическими характеристиками грунтов и их физико-механическими свойствами, оценивается пространственная изменчивость свойств грунтов, локализуются неоднородности геологического строения и их потенциальная опасность для строительства и эксплуатации объекта. При необходимости в отдельных скважинах обсадные полиэтиленовые трубы не удаляются, и эти скважины используются как контрольные для режимных наблюдений (мониторинга) за состоянием грунтов.

Возможности радиоволновой геоинтроскопии межскважинного пространства рассмотрим на приведенном ниже примере ее практического применения.

На рисунке приведены результаты работ по обследованию участка берегового устоя моста через реку Москва автодороги Москва - Рига с целью выяснения причин смещения мостовых опор в сторону реки. В частности, одна из основных задач состояла в выявлении участков карстовых изменений и картировании кровли известняков ратмировской свиты C3rt, залегающих в основании разреза. Уровень грунтовых вод находится на глубине 6 м. Участок крайне неудобен для обследования наземными геофизическими методами, т.к. большая его часть скрыта под устоем, а остальная представляет собой насыпь с углами склонов около 20°.

Межскважинные РВГИ - измерения выполнены на частоте 2.25 МГц «веерным способом» в интервале глубин 5 - 27 м с шагом 0.5 м. Фрагменты 3D геоэлектрической карты приведены в виде горизонтального сечения по кровле ратмировских известняков на отметке 109 м (рис.1) и вертикального сечения по линии скв.7-8 (рис.2). На рис.1 ясно видна закономерность изменения электрических свойств по латерали. Общей тенденцией является приуроченность области наиболее низких сопротивлений к контуру устоя. На разрезе (рис.2) изолинии сопротивления отмечают локальные неоднородности в интервале между скв.2-5. Основным фактором, понижающим сопротивление всех грунтов от песчано-галечных до известняков и глин, является их водонасыщенность. Поэтому области аномально пониженного сопротивления могут быть интерпретированы, как зоны повышенной водонасыщенности грунтов разного состава. Закономерное понижение электросопротивления по всему разрезу свидетельствует о повышенной водонасыщенности грунтов и вероятной проницаемости глинистой толщи для грунтовых вод на этом участке. Форма изолиний сопротивления позволяет предположить здесь зону, благоприятную для развития карстово-суффозионного процесса. Выявленные особенности геоэлектрического строения участка свидетельствуют о наличии под аллювиальными отложениями между скважинами №2-5 карстово-суффозионных изменений в грунтах, развивающихся в направлении под устой моста, что и является причиной его смещения.

Заключение

Применение электромагнитных методов исследования межскважинного пространства позволяет при минимальном количестве глубоких скважин и минимальных производственно-финансовых затратах проводить надежное изучение геологического разреза и оценку состояния горных пород на глубоких горизонтах и непосредственно под объектами, выявлять и оконтуривать слабоконтрастные геологические неоднородности небольших размеров, а также изучать динамику гидрогеологических процессов во времени.

При строительстве и эксплуатации объектов "высокой ответственности" (например, высотные здания, путевые тоннели, гидроэлектростанции в условиях вечной мерзлоты и т.п.) инженерно-геологические изыскания необходимо проводить на глубину, гарантирующую полноту информации о геологическом строении и гидрогеологическом режиме территории.

Список литературы

1. Борисов Б.Ф., Истратов В.А., Лысов М.Г. Способ радиоволнового межскважинного просвечивания. Патент России №2084930 от 22.07.93.

2. Истратов В.А., Лысов М.Г., Чибрикин И.В. Объемное геоэлектрическое картирование подземного пространства методом радиоволновой геоинтроскопии. Подземное пространство мира. № 3, 1997.

3. Истратов В.А., Остапчук С.И., Скрынник А.В., Перекалин С.О. Новая аппаратура для радиоволновой геоинтроскопии горных пород в межскважинном пространстве «РВГИ-2005». Приборы и системы разведочной геофизики. №1/2006. ЕАГО, Саратов.2006.