Модин Игорь Николаевич
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
|
содержание |
В результате мощного развития цивилизации к началу ХХI века в земле оказалось огромное количество искусственных объектов. Эти объекты можно разделить на две группы: 1) объекты, которые уже давно вышли из эксплуатации и представляют только историческую ценность; 2) объекты, которые до сих пор находятся в эксплуатации и представляют собой современные подземные технические сооружения.
1.1.Трубопроводный транспорт и задачи технической геофизики
Современная цивилизация характеризуется чрезвычайно развитой системой подземных коммуникаций, неотъемлемой частью которой являются магистральные нефте- и газотрубопроводы. По магистральным трубопроводам перемещается 100% добываемого газа, 99% нефти, более 50% продукции нефтепереработки. При этом Транснефти принадлежит 50 тыс.км магистральных нефтепроводов. Газпрому принадлежит Единая система газоснабжения России, которая включает 156.9 тыс.км магистральных трубопроводов и отводов.
Сегодня у 80% газопроводов срок эксплуатации превышает 20-25 лет. Главной причиной аварий на трубопроводах является стресс-коррозия в виде дефектов сварных соединений (62% случаев). Поэтому использование геофизических методов при обследовании состояния трубопроводов имеет массовый характер.
Магистральный трубопровод - это комплекс сооружений и технических средств, предназначенных для транспортировки газа, нефти и нефтепродуктов, который включает следующие элементы: линейные участки трубопроводов, перекачивающие диспетчерские станции, станции электрохимической защиты от коррозии, линии электропередач и др.
Вокруг реального состояния трубопроводов с точки зрения геофизики возникает масса проблем. Во-первых, необходимо произвести позиционирование трубы. Когда трубопровод находится на глубине до 2 м сделать это с точностью порядка 15-20 см с помощью геофизических методов сравнительно просто. При увеличении глубины плановое положение трубы определяется уже с худшей точностью примерно в 10% от ее глубины. Особенно сложная ситуация складывается, когда несколько труб лежат в узком коридоре. Во-вторых, необходимо выполнить диагностику состояния изоляционного слоя и ответить на следующие вопросы: какой процент гидроизоляции на трубе разрушен, какой электрический потенциал наблюдается на трубе в данном месте (т.е. какова эффективность катодной защиты), какой амплитуды ток постоянной и переменной частоты идет по трубе, где расположены стыки между трубами, сколько звеньев труб уложено на данном участке, можно ли марки труб диагностировать по характеру физических полей? В-третьих, самый сложный вопрос: где находятся повреждения стальной конструкции трубы, пораженные коррозией? По-существу, последняя проблема - это современный вызов геофизике.
Геофизическим исследованиям на трубопроводах посвящена монография под редакцией автора большого коллектива ученых (Геоэкологическое обследование,1999 и учебник Крапивского и Демченко (2001). Геофизическим методам при позиционировании трубопроводов посвящена кандидатская диссертация А.В.Дунчевского (2000). В Мексиканском нефтяном институте А.В.Шевниным, А.А.Мусатовым в течение ряда лет проводились исследования по изучению состояния магистральных трубопроводов(2000, 2003,2004, 2009).
1.2. Геофизика и инженерные сети
Подземные коммуникации (ПК) также называют инженерными сетями - это, в большинстве своём, водопроводы, теплотрассы, канализации, кабели энергопитания и кабели связи (Подземные коммуникации, 2010). Подземные коммуникации состоят из трубопроводов, кабельных линий и коллекторов, которые располагаются под конструктивными слоями дорожной одежды. Различают сети мелкого (электрические кабели, кабели телефонной и телеграфной связи, сигнализации, газопроводы, теплосети) и глубокого заложения, которые нельзя переохлаждать: водопровод, канализация, водосток. Из 700 тыс. км действующих в России трубопроводов более половины поражены коррозией, а 50 тыс. км коммуникаций находятся в предаварийном состоянии.
Современные ПК в большинстве своём прокладываются буровыми комплексами, с использованием бестраншейных технологий горизонтально-направленного бурения (ГНБ). Для экономичного использования ГНБ решающее значение имеет детальное изучение свойств и состава грунта. В этой ситуации на главную позицию выходят возможности современной технической геофизики. Именно данные геофизики должны дать точный выверенный план подземных городских сетей и точно указать направление и глубину коммуникаций.
Техническая геофизика является важнейшим инструментом при проектировании и выполнении ГНБ для укладки магистральных трубопроводов под автомобильными и железными дорогами. Во-первых, необходимо ответить на вопрос, как устроена в данном месте дорожная насыпь. Во-вторых, необходимо произвести разведку на предмет наличия крупных валунов и скальных грунтов в основании насыпи. В-третьих, при горизонтально-направленном бурении необходим прогноз плывунных песков и оконтуривание их геометрии. В-четвертых, вдоль дорог расположено большое число коммуникаций различного назначения, которые должны быть точно откартированы. Учитывая особую важность обнаружения коммуникаций и их точное нанесение на карты, в 1978 ин-т ПНИИИС выпустил <Руководство по картированию ПК> (авторы: С. А. Aлейников, Т.А.Ларина, Е.Н.Горюшенко, П.И.Остапенко, В.Н.Хабаров и др).
Проблеме картирования ПК огромное внимание уделяется в западных странах и в Китае. Вопросы обнаружения и картирования ПК обсуждаются в работах Chen Xuiming&an.(1990), Сhang Guiqing&Luo Yanzhong(1990). В течение ряда лет автор занимался активное внимание разработке теории и методики поиска подземных коммуникаций (Геоэкологическое обследование , 1999; Модин и Зайцев, 2010).
Особое место среди городских коммуникаций занимают подземные тоннели метро. Во-первых, тоннели метро не наносятся на топокарты и в ряде случаев при производстве изысканий приходится их искать с помощью геофизических методов. Проверить полученную информацию бурением нельзя. Поэтому в этом случае геофизики несут огромную ответственность за свою работу. Вторая проблема заключается в том, что при строительстве тоннель метро может попасть в старые водонаполненные скважины, что иногда приводит к серьезным авариям. Для того, чтобы этого не случилось, сначала нужно найти устье скважины, а потом определить ее глубину.
1.3.Изучение строения дорожных насыпей
Насыпи автомобильных и железных дорог являются ответственными сооружениями. В настоящий момент общая длина российских железных дорог равна 87157 км. Из них участки, ограничивающие пропускную способность железных дорог, составляют 8,3 тыс. км, что связано с плохим состоянием железнодорожного полотна и насыпей.
Насыпь - сооружение из насыпного грунта, получаемого обычно при разработке выемок или забираемого из карьеров и резервов. Центральная часть насыпи, на которой укладывают железнодорожный путь, называемая ядром насыпи, ограничена по бокам откосами. Ширина насыпи зависит от числа путей, ширины междупутий, предполагаемых скоростей движения и др. Высота может достигать 12-20 метров. Вдоль насыпи устраивают водоотводные канавы и различные защитные сооружения. Когда железнодорожная линия проходит по затопляемым местам, возникает необходимость создания фильтрующей насыпи, в основании которой лежат каменные глыбы объемом до 1 м3.
В настоящий момент часть насыпей находится в плохом состоянии, подвержена сильным вибрациям, из-за которой скорость прохождения поездов искусственно понижается для уменьшения дальнейшего расшатывания сооружения. При этом особое внимание уделяется высокоскоростным трассам, где интенсивность движения и соответствующие нагрузки на насыпь особенно велики.
Для строительства и реконструкции железных и автомобильных дорог 40 лет тому назад были разработаны специальные строительные нормы и правила (СН 449-72, Указания по проектированию,..1972). В 1988 году институт Промтрансниипроект выпустил Пособие, в соответствии с которым в настоящее время строятся дороги в России. Железнодорожное полотно представляет собой комплекс грунтовых сооружений, получаемых в результате обработки поверхности земли и предназначенных для укладки верхнего строения пути, обеспечения устойчивости пути и защиты его от воздействия атмосферных и грунтовых вод. Конструкция земляного полотна принимается в зависимости от категории дороги, типа дорожной одежды и местных природных условий, в том числе от условий увлажнения, состояния и свойств грунтов основания, с учетом деления территории России на дорожно-климатические зоны (СН 449-72, Указания по проектированию,..1972).
Известно великое множество основных типовых конструкций насыпей. Известно, как должна быть уложена насыпь, но никто не знает, как она реально сделана. Для выявления реальной ситуации железнодорожные насыпи должны быть разбурены через каждый километр поперечным профилем из 9 скважин. Однако на практике число скважин составляет 1-2 скважины на каждые 2-3 км насыпи. В большинстве случаев процедура бурения насыпи сталкивается с непреодолимыми организационными проблемами. Между тем очевидно, что для того, чтобы поезд сошел с рельс, нужен дефект в насыпи размером не более 1 -2 м, и только геофизические методы исследования позволяют работать с высокой степенью детальности и выявлять такие неоднородности.
Поэтому задач, которые решают геофизики на дорогах, великое множество: 1) лежит ли насыпь на естественном грунте или она заглублена; 2) какова мощность балластного слоя щебня; 3) какие грунты слагают насыпь и какова их мощность; 4) лежит ли грубообломочный материал в основании насыпи и на какой глубине; 5) какова влажность грунтов; 6) есть ли карст под полотном; 7) какова морфология мерзлоты под насыпью; 8) существуют ли плывунные отложения под насыпью.
Наибольший вклад в методическое продвижение геофизических методов внес институт ВНИИТС, который разработал методические рекомендации по геофизическому обследованию насыпей железных дорог (Методические рекомендации, 1975). В методических рекомендациях сформулированы основные задачи, которые решает геофизика на железнодорожных насыпях, рассмотрена проблеме учета влияния рельефа на результаты электроразведки. Рассмотрены электромагнитные помехи, возбуждаемые рельсами.
Геофизические исследования по обследованию дорог выполняются во многих организациях. В институте Мосгипротранс кроме обычно используемых традиционных методов геофизических исследований, широко применяются сейсмические наблюдения по методам преломленных и отраженных волн, георадиолокационное профилирование (2010). Фирма <Миигеология> проводит изыскания для реконструкции и строительства железных дорог по всей территории России (2010). Обширные георадиолокационные работы на железных и автомобильных дорогах проводит группа компаний <Логис> и <Геотех> (2009).
Значительный вклад в применение георадиолокации при обследовании железнодорожных и автомобильных насыпей с практической точки зрения внес А.В.Старовойтов(2008), который рассмотрел большое количество случаев обнаружения дефектов в структуре насыпных грунтов.
Теоретические основы электроразведки при обследовании и проектировании дорог разработаны Л.С.Чантуришвили (1983). На основе аналитических расчетов им были рассмотрены вопросы учета поправок за рельеф и типы аномалий электрического поля над телами простой формы.
1.4. Геофизический контроль сооружений для накопления промышленных отходов
Одним из наиболее ответственных и опасных в экологическом отношении сооружений являются хвостохранилища и золоотвалы. Хвостохранилище - комплекс специальных сооружений и оборудования, предназначенный для хранения или захоронения радиоактивных, токсичных и других отвальных отходов обогащения полезных ископаемых, именуемых хвостами. На горно-обогатительных комбинатах (ГОК) из поступающей добытой руды получают концентрат, а отходы переработки перемещают в хвостохранилище.
Обычно хвостохранилища сооружают в нескольких километрах от горнообогатительной фабрики, в понижениях рельефа. Из хвостов намывается дамба, которой огораживается хвостохранилище. Учитывая особую экологическую опасность хвостохранилищ в 1996 были разработаны и введены Правила безопасности при их эксплуатации.
Хвостохранилище представляют собой специфический объект исследования, который характеризуется сложным многоярусным строением и состоит из трех основных элементов: 1)дамба, которая должна обладать гидроизоляционными свойствами, иметь высокую степень устойчивости, обладать способностью к множественному наращиванию высоты; 2) пруд, заполненный обводненными хвостами(золами); 3) природный горно-геологический массив грунтов. Хвостохранилище в силу специфики отходов представляет собой огромную техногенную и экологическую угрозу для населения. Размеры национального экологического бедствия, связанного с неудовлетворительным состоянием хвостохранилищ, требуют применения экспрессных и точных диагностических методов неразрушающего геофизического контроля.
Одним из наиболее эффективных методов исследования хвостохранилищ является электроразведка (Фролов, 2006).
Существенный вклад в развитие инженерной геофизики при обследовании хвостохранилищ внес Озмидов О.Р.(1997, 2002).
1.5. Определение глубины свайных конструкций
Свайные конструкции значительно увеличивают устойчивость здания и его стабильность при внешних интенсивных нагрузках в слабых грунтах или при возведении очень ответственных сооружений. Подавляющее большинство типов современных свай имеет чрезвычайно простое строение: внутри бетонного столба располагается стальная арматура. Наиболее ответственный параметр - глубина свай. Забить сваю - чрезвычайно трудоемкое и дорогостоящее дело. По ряду объективных и субъективных факторов строители не всегда справляются с этой задачей. Такая ситуация резко ухудшает технические параметры сооружения и безопасность людей. При этом контроль за результатами забивки свай со стороны геофизиков настраивает строителей на более качественное выполнение работ. Учитывая, что у нас в стране даже в самые тяжелые годы экономического спада в начале 90-х годов забивались тысячи свай, такой подход может привести к огромному экономическому эффекту.
Различают несколько видов свай, которые изготавливаются для строительства, строго подчиняются ГОСТ и имеют стандартные типоразмеры и свойства: забивные сваи; сваи-колонны; буронабивные сваи и набивные сваи.
Существенный вклад в разработку методов определения глубины свайных конструкций сделал Квятковский Г.И.(1993).
1.6.Археологическая геофизика
Древние артефакты находятся в земле, как правило, в полуразрушенном состоянии, но как объекты культурного наследия, обладают огромной ценностью, охраняются государством и являются объектами постоянного поиска, разведки и изучения со стороны археологов. Раскопки археологических памятников обычно приводят к разрушению остатков древних архитектурных конструкций, в то время как дистанционные геофизические методы исследования позволяют избежать этой катастрофы. В последние годы культурная политика большинства развитых стран мира направлена на сохранение памятников культуры, и в этом плане основная ставка делается на неразрушающие геофизические методы. В настоящее время примерно 65% археологических памятников обследуется с помощью магниторазведки, около 15% электроразведкой, столько же работ выполнено с помощью георадиолокации и около 5% - сейсморазведки.
Возникновение геофизики в археологии у нас в стране связано с появлением книги Г.С.Франтова и А.А.Пинкевича(1966). Большой вклад в развитие археологической геофизики у нас в стране сделали В.В.Глазунов(1996), А.К. Станюкович(1989), Т.Н.Смекалова(2009). Исследования И.В.Журбина(2007) позволили внедрить двумерную и трехмерную электротомографию в процесс изучения археологических памятников. В западном мире это направление начало развиваться с конца 50-х годов XX века, когда был разработан протонный магнитометр.
Автором выполнен анализ геофизических публикаций по археологической тематике. Для сравнения взяты два временных интервала: с конца 60-х годов прошлого века до 1996 г. За этот период нам известно 148 публикаций. В течение этого периода превалировали работы по магниторазведке (60% всех исследований). Второе место занимала электроразведка (28% всех исследований). Все остальные методы - менее 12%. Второй интервал это - только один 2005 год. Только за один этот год было выполнено 128 работ! Из них число магниторазведочных работ составляет 42% от общего числа публикаций, а электроразведка и георадар занимают по 26% от общего числа публикаций. Основной комплекс, который применяется в археологической геофизике - магниторазведка+ электроразведка, составляет 16% от всех геофизических работ. Таким образом, электроразведка остается одним из основных методов археологической геофизики. Вместе с георадаром электроразведка превысила применение магниторазведки. Поэтому исследования, направленные на дальнейшее развитие электроразведки, являются актуальными.
Выводы к 1 главе. Поиски искусственных погребенных объектов в силу их особенностей не могут обойтись без применения геофизических методов и в частности электроразведки, как наиболее гибкого метода, обладающего огромными технологическими возможностями. Автор, работая в области исследования технических сооружений и археологии, пришел к выводу о необходимости дальнейшего развития теории, методики и способов интерпретации электроразведочных данных.
| 
