Жуков О.Х., Дмитриевцев Д.В.
Применение георадара для изучения состояния земляного полотна железных дорог
Возможность применения радиоволн для «просвечивания» горных пород установлена ещё в 1910 — 1911 годах немецкими учеными Г. Лови и Г. Леймбахом. Позднее произошло второе открытие метода, во время изучения Антарктики. При картировании рельефа с самолета стандартным бортовым локатором на записи самописца ниже границы льда, прослеживалась вторая граница, похожая на первую, но всё же с некоторыми отличиями. Проведя анализ полученной картины, специалисты пришли к выводу, что первая граница — это дневная поверхность земли, а вторая — это подошва ледяного покрова. С этого момента стало возможным оценивать мощности льда. Вскоре по аналогии с бортовым локатором самолета был создан наземный прибор, названный георадаром, а методика получила название подповерхностной георадиолокации.
К настоящему времени георадар нашёл свое применение для решения многих инженерно- геологических, гидрогеологических и поисковых задач, таких как картирование геологических структур, обследование инженерных сооружений, определение толщины ледяного покрова, обследование водоемов и многие другие.
В современных условиях эксплуатации железных дорог Российской Федерации земляное полотно испытывает интенсивное динамическое воздействие от подвижного состава, которое лишь увеличивается со временем. В сочетании с погодно-климатическими и геологическими факторами это приводит к возникновению на отдельных участках земляного полотна деформаций, создающих угрозу безопасности движения подвижных составов.
Совсем недавно, геологическое обследование зем. полотна проводилось только на таких участках. Преимущественным методом являлось бурение геологических скважин. В конце 90-х годов прошлого столетия геологические изыскания стали проводить и для разработки рабочих проектов капитального ремонта и модернизации пути. При которых основным методом геологического обследования всё по-прежнему оставалось бурение. Так же следует отметить, что для достаточной полноты изучения земляного полотна, требуется значительный объём скважин, что в свою очередь наносит огромный ущерб целостности земляного полотна. Особенно сильно это отражается на насыпях, в строении которых присутствуют глинистые грунты. Ещё один момент связан с дискретностью получаемой информации, что влечёт за собой затруднения и ошибки при интерпретации данных. В поиске решения данной проблемы, инженеры предприятия «Путь» обратились к малоглубинной геофизики, а в частности к методу подповерхностной георадиолокации.
За 20 лет существования, предприятием «Путь» была обследована не одна сотня километров пути, в различных погодных и климатиче-ских условиях. Изыскания проводились на Северной, Юго-Восточной и Приволжской железных дорогах. За это время работники предприятия приобрели огромный опыт в применении и интерпретации результатов георадиолокации. Был выработан способ комплексного обследования земляного полотна железных дорог, разработано программное обеспечение, для более быстрой и качественной обработки результатов, а также получения результирующей графики. Этот способ впоследствии был запатентован нашим предприятием (патент на изобретение: «Способ комплексного обследования земляного полотна железных дорог». ). Да действительно, в настоящее время георадары применяются во многих направлениях инженерных изысканий и это уже давно не новшество, однако разработанная нами методика, для проведения изысканий на железной дороге, является в своем роде уникальной.
Накопленный опыт, позволяет судить о достоинствах и недостатках данного метода и методики не только исходя из теоретических знаний, но и, самое главное, из его практического применения. Одним из главных преимуществ георадиолокации является возможность проведения непрерывной съёмки, то есть полученные данные представляют собой непрерывный пространственно-временной разрез (рис 1). Что относительно бурения позволяет проследить состояние и мощности слагаемых насыпь грунтов вдоль всего профиля, а не в его отдельных точках. После интерпретации таких наблюдений мы получаем непрерывный геологический разрез, который совместно с геодезическими данными наносится на утрированный продольный профиль, участок которого представлен на рис.2 (синим кругом показан участок, представленный на радарограмме). На рисунках показаны материалы, полученные при проведении инженерных изысканий выполненных и обработанных предприятием «Путь» на 632 км перегона Тамала — Вертуновская Юго-восточной железной дороги. На данном участке присутствуют деформации верхнего строения земляного полотна, проявляющиеся в просадках пути и расползании насыпи. Эти деформации существуют уже длительное время, за которое неоднократно в пределах участка проводилась подсыпка щебня для исправления очертания насыпи. Увеличение мощности щебня хорошо прослеживается на пространственно-временном разрезе, и также хорошо заметна на результирующем продольном профиле. Для получения столь детальной информации пришлось бы пробурить не один десяток скважин, что привело бы к значительным затратам средств и времени.
В процессе интерпретации георадиолокации мы можем разделить балласт на слои в зависимости от состава и загрязненности слагающих его пород(преимущественно щебень). Что позволяет делать выводы о глубине подрезки балластного слоя, необходимости укладки изолирующего материала, а также проследить за качеством уже выполненных ремонтных работ. Пример разделения балластной призмы на слои представлен на рисунках 3 и 4. На рисунке 4 синим кругом показан участок, отраженный на радарограмме. Данные изыскания проводились на 731 км перегона Якшанга - Поназырево в пределах Северной железной дороги. На радарограмме балластная призма разделена на два слоя щебень и гальку с примесью щебня песчаника, ниже которых довольно чётко прослеживается ещё одна граница, представляющая собой подошву основной площадки. Ядро же насыпи в данном случае представлено суглинками. Данные о строении земляного полотна получены при бурении скважин(показаны на рисунке 3 и 4). Как хорошо видно на радарограмме(яркие чёрные и белые полосы), мы можем чётко, точно и на значительное расстояние от скважины проследить мощности слоев вдоль линии профиля(линии проведения изысканий), при этом нет необходимости бурения скважин через каждые 300 м как показано на рис 3 и 4. Таким образом, можно однозначно говорить, что при типичном строении земляного полотна, для получения данных о мощности слагающих его грунтов, нет необходимости в бурении густой сети скважин. То есть, например, при проведении повторных геологических изысканий для следующего ремонта, с применением георадиолокации имея продольный профиль вдоль всего участка работ с представленной на нем геологией, нам понадобится бурение только контрольных скважин. Как показывает наш опыт, достаточное расстояние между ними состав-ляет около одного километра, что при-мерно втрое сократит объём бурения и ни в коей мере не повлияет на качество выполненных работ.
Так же к достоинствам георадиолокации следует отнести то, что этот метод не оказывает разрушающего воздействия на изучаемые грунты, его мобильность и удобство в иcпользовании. Особенностью современных георадаров является возможность применения двух типов антенн: наземных и воздушных. Несмотря на то, что воздушные антенны дают большее количество помех на радарограмме, их применение наиболее актуально, в связи с их большей производительностью. А помехи (или так называемый «звон» антенн) в абсолютном большинстве случаев удается убрать при конечной обработке с использованием стороннего программного обеспечения. Основным недостатком метода можно считать крайне малую глубинность исследования при наличии влажных глинистых грунтов, а также зависимость разрешающей способности и глубинности от частоты электромагнитного излучения (используемых антенн). Чем выше частота излучения, тем меньше глубинность, но выше разрешающая способность, и соответственно наоборот. Более подробно эти и другие достоинства и недостатки метода георадиолокации, а также его теоретические основы изложены в различной специальной литературе.
Стоит отметить, что при применении нашей методики, для интерпретации данных георадиолокации, оцениваются такие параметры среды как диэлектрическая проницаемость и объёмная влажность грунтов. Значение диэлектрической проницаемости (ε) используется для расчета глубин и мощностей слоёв, следовательно, завышенное или заниженное значение ε приведет к ошибке в определении истинной глубины. Воизбежании данной ошибки определение значения диэлектрической проницаемости проводится по опорной скважине. При определении объёмной влажности используется зависимость между скоростью прохождения электромагнитных волн в грунтах и их влажностью: чем выше влажность, тем меньше скорость э/м волн. Данное определение носит скорее косвенный характер, однако при исследовании грунтов в нашей лаборатории и последующим сравнением результатов установлено, что погрешность в определении объёмной влажности в лаборатории и с применением георадара составляет всего 0,3-0,6%.
При проведении георадиалокации во многих случаях можно получить данные не только о строении земляного полотна, но и проследить за уровнем грунтовых вод (при их наличии), определить участки переувлажнения грунтов земляного полотна, что также дает дополнительную информацию для проектирования водоотводных сооружений. Такие участки особенно характерны для Северной железной дороги, где расположены множество рек, озёр и болот, вблизи которых проходят железнодорожные пути. Так же одной из особенностей строения земляного полотна Северных железных дорог, является присутствие большого количества обломочного материала в грунтах ядра и основной площадки насыпей, что в значительной мере затрудняет бурение скважин ручными буровыми комплектами. Доставка механических средств, обычно сильно затруднена, а на отдельных участках просто не возможна без остановки движения поездов. На таких участках применение георадиолокации особенно актуально.
Подводя итоги многолетних наблюдений и практического применения, можно сделать вывод, что георадиолокация на железнодорожном транспорте, нашла свое применение в качестве вспомогательного метода, позволяющего получать непрерывные пространственные данные о состоянии земляного полотна, а также позволяющего в значительной мере сократить объемы буровых работ. И впоследствии вышла на одну ступень с другими методами диагностики, что в свою очередь совпадает с одним из пунктов распоряжения ОАО «РЖД» «о создании комплексной системы пространственных данных инфраструктуры железнодорожного транспорта»