Оценка качества возведения «стены в грунте» по данным сейсмоакустического межскважинного просвечивания

Декабрь, 2016
Автор: Ю.С. Исаев к.т.н., начальник научно-исследовательского отдела; О.В. Бойко к.т. н., старший научный сотрудник; К.А. Дорохин научный сотрудник; Е.В. Костромитина научный сотрудник ОАО «НИПИИ «Ленметрогипротранс»

В настоящее время в метростроении широко распространена технология «Стена в грунте», которая является универсальным решением устройства ограждающей, несущей и противофильтрационной конструкции при подземном строительстве в открытых котлованах.

Сущность способа «стена в грунте» заключается в образовании под защитой глинистого раствора траншеи (выработки) с вертикальными стенками с последующим армированием и заполнением траншеи бетонным раствором (рис.1). 

Такой способ дает возможность устраивать фундаменты и подземные сооружения практически любой глубины (4-50 м и более).

Обычно глубина конструкций ограничивается возможностями применяемой землеройной машины. 

Способ «стена в грунте» используется в различных инженерно-геологических и гидрогеологических условиях и во многих случаях позволяет отказаться от забивки шпунта, различного рода креплений, водопонижения и замораживания.

Способ «стена в грунте» эффективен при высоком уровне подземных вод при заглублении конструкции в прочный и водоупорный слой, и в стесненных условиях строительства, при устройстве глубоких подземных сооружений [1].

Схема производства работ по технологии стена в грунте

Рис. 1. Схема производства работ по сооружению «стены в грунте»

При всех достоинствах сооружения стены в грунте, которые тяжело переоценить, есть один недостаток, который заключается в том, что все работы по устройству и заливке стены бетонным раствором происходят в «слепую». 

Соответственно, возможны ситуации некачественного замещения грунтов бетонным раствором, наличием линзовидных грунтовых включений, обусловленных локальным обрушением стенок траншеи в период заливки бетона, а также ослабление прочности бетона из-за суффозионного выноса частиц цемента до схватывания бетонной смеси при повышенном гидростатическом давлении в сильно обводненных слоях (рис.2). 

Вышеотмеченные факторы некачественного возведения стены в грунте  могут привести к внезапной потери устойчивости стены и к её, как минимум, локальному разрушению в процессе выработки грунта в котловане со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями и, главное, по обеспечению безопасности работ.

Некачественные участки заполнения бетономНекачественные участки заполнения бетоном

Рис. 2.  Локальные участки некачественного заполнения бетоном (Санкт-Петербург, обследование стены в грунте на станции метро Беговая)

Поэтому до начала работ по разработке котлована предусматривается обследование качества возведения «стены в грунте»: оценка её сплошности, определение наличия и местоположения ослабленных зон и зон с пониженной прочностью бетона и пр.

Это позволяет ещё до начала разработки котлована выполнить дополнительные меры по  усилению конструкции стены в тех местах, где возможны ее разрушения и/или протечки (прорывы) грунтовых вод в котлован.   

В настоящее время для контроля качества исполнения строительных работ (скрытых и не скрытых) широко применяются геофизические методы и средства неразрушающего контроля и диагностики [2-8], например, методы интроскопии, т.е. «видения» внутреннего строения посредством сейсмоакустических, ультразвуковых и электромагнитных волн, рентгеновских, тепловых лучей и пр. Методы интроскопии делятся на теневые и локационные.

Теневые методы основаны на «просвечивании» объекта исследований сейсмоакустическими и/или иными волнами, или лучами. 

Локационные методы основаны на способности сейсмоакустических или иных волн отражаться от внутренних границ и неоднородностей при их распространении в изучаемом объекте.

В настоящее время обследование качества возведения «стены в грунте» наиболее эффективным образом осуществляется  с помощью сейсмоакустического межскважинного просвечивания  (прозвучивания) в варианте сейсмотомографического 2D-представления изучаемого межскважинного пространства по кинематическим параметрам распространения упругих волн и связанных с ними прочностными характеристиками (коротко межскважинная сейсмотомография - МСТ).

Методика межскважинной сейсмотомографии (МСТ) состоит в возбуждении упругих колебаний в одной скважине и приеме их в другой.

Для этих целей на стадии арматурных работ к конструкции арматурного каркаса стены «подвязывается» тщательно затампонированные металлические или пластиковые обсадные трубы, которые будут выполнять роль скважин после наполнения стены бетонным раствором.

По опыту работ для получения качественного материала, пригодного для интерпретации, расстояние между скважинами должно находиться в интервале 5-15м.

После завершения работ МСТ все скважины ликвидируются путем заполнения бетонным раствором.

В практике работ по межскважинным сейсмотомографическим исследованиям в зависимости от конкретных задач и условий применяются различные системы наблюдений.

Как правило, для решения поставленной задачи необходимую детальность исследований обеспечивает веерная система наблюдений, в которой прозвучивание межскважинного пространства осуществляется в двух встречных направлениях (рис.3).

Схема веерной системы

Рис.3.  Схема веерной встречной системы наблюдений при межскважинном сейсмоакустическом исследовании сплошности конструкции стены в грунте

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

Формула Френеля

Таким образом, чем меньше длина волны и длина луча, тем выше будет разрешающая способность метода лучевой сейсмотомографии.

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.

Изучение структуры аномалий скорости (на качественном уровне) возможно и при размере неоднородностей меньше зоны Френеля, но только в случае идеального лучевого и углового покрытия, то есть наличия плотной системы лучей.

Технологический процесс обработки и интерпретации материалов скважинных исследований происходит в два основных этапа: сейсмотомографическая обработка с построением томографических скоростных и плотностных разрезов; анализ сплошности стены в грунте и оценка прочности бетона.

Основой для обработки являются сейсмограммы сейсмических записей, полученные от каждого дискретного положения источника возбуждения колебаний при межскважинном просвечивании (рис.4).

Сейсмограмма

По результатам предварительной обработки создается массив данных для последующего томографического построения, который представлен совокупностью значений времен пробега прямой продольной волны в массиве объекта между источниками возбуждения и приемниками упругих колебаний. Также учитываются соответствие каждому положению источника и приемника их пространственные координаты.

Томографическая обработка материалов скважинной сейсморазведки сводится в конечном итоге к получению кинематических разрезов (рис.5-6), характеризующих особенности распределения значений скоростей прямой продольной волны в массиве изучаемого объекта. 

Пример сейсмотомографического разреза

Рис. 5. Пример сейсмотомографического разреза.Соотношение низкоскоростных аномалий с данными визуального обследования после вскрытия котлована (Санкт-Петербург, обследование стены в грунте на станции метро Беговая)

Соотношение скоростных низкоскоростных аномалий

Рис. 6.  Пример сейсмотомографического разреза. Соотношение скоростных низкоскоростных аномалий с данными визуального обследования после вскрытия котлована (Санкт-Петербург, обследование стены в грунте на станции метро Беговая)

Определение прочности по данным распределения скоростей основано на корреляционной связи между скоростью продольной волны и величиной предела прочности на сжатие.

Скорость продольной волны в пределах действия малых идеально упругих деформаций является инвариантной (не зависящей от частоты) характеристикой исследуемых материалов, это свойство позволяет проводить интерпретацию результатов сейсмических измерений скорости  Vp (частоты ~ от 1-х единиц до 2-5 кГц) по данным лабораторных ультразвуковых (частоты ~ десятки и сотни кГц)  определений по образцам. 

В данном случае корреляционные уравнения связи скорости ультразвука с прочностью можно использовать для оценок прочности бетона в конструкции «стена в грунте» по скоростям сейсмических волн установленных по данным межскважинного сейсмоакустического просвечивания.

В актуализированном 01.01.2014 г. ГОСТ 17624-2012. «Бетоны. Ультразвуковой метод определения прочности» в Приложении Г приводится универсальная градуировочная зависимость, которую используют для ориентировочной оценки прочности бетона в конструкции «стены в грунте».

Прочность на сжатие является основным показателем качества бетона и по нему устанавливается фактический класс бетона и его соответствие проекту.

На основании получаемых томографических разрезов по распределению предела прочности на сжатие, качественно выявляются зоны с пониженными прочностными характеристиками, количественно оцениваются уровни понижения параметров.

На приведенном примере (рис.7) представлены разрезы по распределению параметров прочности бетона, которые рассчитаны  по данным сейсмотомографических разрезов (рис.5-6).

Пример томографического разреза стены в грунте

На разрезе между скважинами 2А-3А-4А отмечаются 2 зоны (помечены маркером) с пониженными прочностными параметрами.

На выделенных участках прочность бетона находится в интервале 17-20 МПа. На разрезе между скважинами 6-7 также отмечены две области с пониженными прочностными характеристиками, которые находятся в области 16-20 МПа.

При этом средневзвешенные характеристики стены как между скважинами 2А-3А-4А, так и между скважинами 6-7 находятся в области не ниже 25 МПа.  

По этим материалам было отмечено, что размеры и локальный характер выявленных аномалий, величина их градиентного снижения не  повлияют на конструктивные способности стены в целом, однако  их наличие требует повышенного внимания при разработке котлована и готовности проведения укрепительных работ на этих местах.

Выводы

С использованием МСТ к настоящему времени обследовано около 1750 п.м. конструкций стены в грунте на участках строительства станций Петербургского метрополитена: «Дунайская», «Спортивная-2», «Новокрестовская», «Беговая».

По результатам этих обследований было отмечено, в целом,  высокое качество выполнения работ по устройству и возведению стены в грунте.

При этом  было выявлено незначительное количество отдельных, небольших по площади (до 1-2 кв.м.), локальных аномальных зон в стене, обусловленных  непроектным заполнением бетонным раствором в виде линзовидных субгоризонтальных тел, заполненных грунтовыми массами, а также зон с пониженными прочностными характеристиками бетона, возникшими, вероятно, в результате суффозионных процессов в водонасыщенных слоях массива.

Выявленные аномальные зоны в большинстве случаев были подтверждены при выработке грунтов в котловане, после чего, при необходимости, проводились дополнительные мероприятия по усилению и гидроизоляции конструкции в местах не слишком качественного возведения стены.

Библиографический список

1. «Технология возведения подземной части зданий и сооружений» Учебное пособие для вузов.под ред. Е.Л. Темкина. М.: Стройиздат,1990.
2. Глушко В.Т., Ямщиков В.С., Яланский А.А. Геофизический контроль в шахтах и тоннелях. М., Недра, 1978.
3. Горяинов Н.Н., Ляховицкий Ф.М. Сейсмические методы в инженерной геологии. – М.: Недра, 1979.
4. Густовссон М., Иванссон С., Морен П., Пил Ю. Сейсмическая скважинная томография – система измерений и полевые эксперименты. ТИИЭР, 1986.
5. Методическое руководство по комплексному горно-экологическому мониторингу при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей. – М.: УРАН ИПКОН РАН, НИПИИ «Ленметрогипротранс», 2009. – 68 с.
6. Николаев А.В. Проблемы геотомографии. Сборник научных трудов. – М.: Наука, 1997.
7. Савич А.И., Куюнджич Б.Д. Комплексные инженерно-геофизические исследования при строительстве гидротехнических сооружений. – М.: Недра, 1990.
8. Савич А.И., Ященко З.Г. Исследования упругих и деформационных свойств горных пород сейсмоакустическими методами. – М.: Недра, 1979.
9. Ямщиков В.С. Методы и средства исследований и контроля горных пород и процессов. - М., Недра, 1982.

Авторы:

Ю. С. Исаев к.т. наук, начальник научно-исследовательского отдела
ОАО «НИПИИ «Ленметрогипротранс» 

О.В. Бойко к.т.наук, старший научный сотрудник ОАО «НИПИИ «Ленметрогипротранс»
К.А. Дорохин научный сотрудник ОАО «НИПИИ «Ленметрогипротранс»
Е.В. Костромитина научный сотрудник ОАО «НИПИИ «Ленметрогипротранс»

Дополнительные материалы по теме: 

Современные объемно-планировочные решения и геотехнический мониторинг при строительстве Санкт-Петербургского метрополитена читать статью

Современные достижения в проектировании станций метро читать статью

Дополнительная информация

  • Категория: Изыскания
Отправить комментарий

Защитный код
Обновить