Комплексная интерпретация результатов долгосрочного геотехнического мониторинга горных тоннелей с использованием метода электромагнитной эмиссии

Показанные результаты долгосрочной регистрации естественного электромагнитного излучения (ЕЭМИ) по системе автоматизированного геотехнического мониторинга отражают цикличные изменения свойств прилегающего к тоннелям горного массива в тесной взаимосвязи с температурным режимом. Зачастую полезный сигнал невозможно отличить от случайной импульсной (не регулярной помехи). Настоящая работа дает возможность на больших рядах данных увидеть, что несмотря на большое количество техногенных помех в действующих транспортных электрифицированных тоннелях удается регистрировать ЕЭМИ. Важным является подтверждение возможности контроля современной динамики горных пород и конструкций тоннелей, выявление стабильной цикличности, соответствующей нормальному функционированию систем «тоннель – горный массив». Эти работы продолжаются, и в дальнейшем будет оцениваться ЕЭМИ, возникающее на последующих этапах жизни подземного сооружения. 

С момента первого упоминания эффекта естественного электромагнитного излучения (ЕЭМИ) при нагружении непьезоэлектрических материалов [3] до наших дней известно множество исследований его взаимосвязи с проявлениями геодинамики в массивах горных пород. Большинство работ в ходе рассмотрения тематики взаимосвязи ЕЭМИ и изменений напряженно-деформированного состояния (НДС) (геодинамики) в подземных выработках посвящено измерениям эффекта 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 эффекта при оценке изменения НДС системы «обделка тоннеля – вмещающий горный массив» при высоком уровне техногенных помех, и даже создавать системы его непрерывного контроля – по аналогии с системами ЕЭМИ-мониторинга в угольных шахтах [1, 4]. Вопросы учета вариаций сигналов ЕЭМИ различных уровней от суточных до сезонных и годовых очень важны для разрабатываемых систем геодинамического мониторинга, т.к. 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.

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.

Ранее авторами также проводились лабораторные испытания, результаты которых более подробно изложены в [2].

Аналогичные сигналы авторами 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.

На рис. 1 представлен пример результата регистрации ЕЭМИ в штольне железнодорожного тоннеля (протяженностью 6686 м), возведенного в массиве сложного геолого-тектонического строения, представленного трещиноватыми гранитогнейсами и граносиенитами с дайковыми телами гнейсогранитов с небольшими участками сильнотрещиноватых и раздробленных пород.

Измерения были сделаны с промежутком в один месяц. В центре спектрограмм в обоих случаях отмечаются яркие аномалии, отражающие повышенную активность массива в зоне проводимых горных работ в параллельной к штольне выработке, причем на втором цикле измерений отмечается сдвижение аномалии, соответствующее перемещению горной проходки. 

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 с) 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. Для унификации данных каждое значение нормируется на среднее арифметическое для каждого ряда данных с получением нормированного параметра Анорм.

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. При подготовке инфраструктуры региона к проведению Олимпийских игр 2014 г. в г. Сочи была сооружена и введена в эксплуатацию совмещенная (автомобильная и железная) дорога «Адлер – горноклиматический курорт “Альпика Сервис”» общей протяженностью 48 км. Строительство выполнялось с 2008 по 2013 гг. За это время было возведено 14 тоннелей (шесть железнодорожных, три автодорожных и пять вспомогательных) общей длиной около 27 км – из них 10,3 км железнодорожных, 6,7 км – автомобильных и около 10 км вспомогательных эвакуационных и сервисных штолен.

С самого начала проходческих работ специалистами института ОАО «НИПИИ “Ленметрогипротранс”» осуществлялись режимные наблюдения в составе горно-экологического мониторинга. Основной объем работ приходился на выполнение инструментальных геомеханических, геофизических, сейсмологических, гидрогеологических, геодезическомаркшейдерских и экологических наблюдений. Исследования велись как по временным профилям и точкам наблюдений в горных выработках и на поверхности, так и по системе устанавливаемых по мере проходки тоннелей постоянных датчиков разного типа, которые монтировались с учетом геологических особенностей трассы (литологические разности, тектонические нарушения, разломы и др.). К концу 2013 г. была смонтирована и запущена в эксплуатацию вся контрольно-измерительная аппаратура, выполнена синхронизация всех установленных в конструкции датчиков и налажена регистрация измеряемых параметров в автоматическом режиме. 

Целью разработки автоматизированной системы геотехнического мониторинга является обеспечение безопасной эксплуатации тоннелей на основе данных непрерывного контроля состояния системы «обделка тоннеля – вмещающий горный массив» и прогнозирования технического состояния конструкций тоннеля. Комплексный геотехнический мониторинг обеспечивает безопасную эксплуатацию тоннелей, оперативный контроль за негативными (техногенными и природными) воздействиями на сооружения и определение качественных и количественных показателей их влияния на конструкции, а также онлайн оценку геодинамической активности системы «обделка тоннеля – вмещающий горный массив» для прогнозирования изменений НДС пород вблизи подземных выработок на всем их протяжении.

В представленной работе для примера показаны данные для одного опытного участка. 

Железнодорожный двухпутный тоннель № 6 подковообразного очертания общей длиной 433 м. 

На ПК 453 + 08 (223 м от южного портала) установлены датчики НДС, на ПК 453 + 28 (243 м от южного портала) – датчики ЕЭМИ. 

Глубина сечения ≈ 38 м. 

Участок полностью расположен в делювиальных отложениях, представленных углистыми алевросланцами. Состояние горных пород от сильнотрещиноватых до раздробленных, в большей массе перемятых, местами перетертых по терщиноватости и сланцеватости. Водоприток умеренный. От слабоустойчивых до совершенно неустойчивых. Коэффициент по Протодьяконову 0,8–1,5 – 70%, 1,5–2,5 – 30%. 

На рис. 2 представлены результаты совместной обработки данных ЕЭМИ и НДС системы «обделка тоннеля – вмещающий горный массив» по первому участку в железнодорожном тоннеле № 6. Показан временной интервал измерений с декабря 2013 г. по февраль 2021 г. 

Также приведены графики температуры воздуха по двум метеорологическим станциям: 1 (в начале трассы тоннелей) – в г. Сочи (Краснодарский край, Россия): широта 43,58°, долгота 39,77°, высота над уровнем моря 132 м; 2 (в окончании трассы тоннелей) – в Красной Поляне (Краснодарский край, Россия): широта 43,68°, долгота 40,20°, высота над уровнем моря 567 м.

Информация о температуре приведена по данным справочноинформационного портала «Погода и климат» [5]. 

Для графиков НДС и температуры воздуха проведены линии тренда. Температурные колебания значений по датчикам НДС за показанный период находятся в пределах 1–2 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. 

По линиям тренда для датчиков НДС можно сделать вывод о плавном увеличении напряжений в обделке с последующей стабилизацией. В начале эксплуатации напряжения в монолитной железобетонной обделке тоннеля развиваются интенсивнее. 

Анализируя графики ЕЭМИ можно заметить, что сезонные колебания ЕЭМИ идентичны в течение всего периода наблюдений, но отличаются по интенсивности в начале измерений. 

В начале эксплуатации тоннель и вмещающий массив приходят в равновесие. Накопленных зарядов на бортах микротрещин, микродефектов, микронеоднородностей, трещиноватости больше и первое время происходит их активная компенсация. На высокую интенсивность ЕЭМИ в начале эксплуатации тоннеля влияет и тот факт, что обделка выполнена из монолитного железобетона. А также то, что в начале эксплуатации напряжения в монолитной железобетонной обделке тоннеля развиваются интенсивнее. 

Далее с декабря 2017 г. 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 г. минимумы растянуты на несколько месяцев. Минимумы ЕЭМИ наблюдаются: 

• в январе 2014, январе 2015, январе 2016 гг.;
• с декабря 2016–января 2017 по июнь 2017 гг.;
• с января 2018 по май 2018 гг.;
• с ноября 2018 по июнь 2019 гг.;
• с января 2020 по июнь 2020 гг. 

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. 

На графиках ЕЭМИ 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, августе 2018, августе 2019, августе 2020 гг. 

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

Так, в стабильно сжатом состоянии фиксируются минимумы импульсов ЕЭМИ, при растяжении массива и материала обделки происходит разделение зарядов на бортах микродефектов и происходит нарастание эффекта, полное разделение бортов микродефектов приводит к прекращению его интенсивности. 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.

Вывод:

Показанные результаты долгосрочной регистрации ЕЭМИ по системе автоматизированного геотехнического мониторинга отражают цикличные изменения свойств прилегающего к тоннелям горного массива в тесной взаимосвязи с температурным режимом. Показано, 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 горного массива и др.

Для более уверенных выводов необходимо продолжение анализа данных по автоматизированной системе геотехнического мониторинга тоннелей. Планируется более подробно изучить вопросы возникновения и развития цикличности и сезонности в данных ЕЭМИ, в т.ч. 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). Настоящая публикация дает возможность показать на больших рядах данных, что, несмотря на значительное 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 актуально, 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 геомеханического процесса в массиве. 

Представленные в публикации работы продолжаются, и в дальнейшем будет оцениваться эффект ЕЭМИ, возникающий на последующих этапах жизни подземного сооружения.

Список литературы:

1. Rock burst monitoring by integrated microseismic and electromagnetic radiation methods / X. Li, E. Wang, Z. Li, Z. Liu, D. Song, L. Qiu // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2016. Vol. 49. Issue 11. P. 4393–4406. 
2. Romanevich K., Basov A. Assessment of mutual influence of underground constructions on electromagnetic radiation emitted by fractured rock // Paper proceedings of the ITA – Aites World tunnel Congress, Dubai, UAE, 2018. P. 3575–3581.
3. Stepanov A.W. Uber den mechanismus der plastischen deformation // Physikalische Zeitschrift der Sowjetunion. 1933. No. 4. P. 609–627. 
4. Wang E., He X., Liu X., Xu W. Comprehensive monitoring technique based on electromagnetic radiation and its applications to mine pressure // Safety Science. 2012. No. 50. P. 885–893
5. Информационный портал «Погода и климат». [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.pogodaiklimat.ru/ (дата обращения: 20.11.2021). 

Авторы статьи:

1. Романевич К.В., старший научный сотрудник ОАО "ЛМГТ" 
   
   
2. Лебедев М.О., заместитель генерального директора по научно-исследовательской работе ОАО "ЛМГТ" 
   
   
3. Андрианов С.В., младший научный сотрудник ОАО "ЛМГТ"