Научно-производственное предприятие, создающее cпециальные и уникальные методы и технологии для геофизических исследований нефтегазовых, рудных и угольных скважин

  • info@vniigis.com
  • +7 (34767) 7-19-00
Поиск

Геофизические методы при инженерно-геологических изысканиях на объектах гражданского и промышленного строительства (на примере г. Уфы)

УДК 550.832:622.241

А. Г. Болгаров, А. Г. Меховников, Г. А. Зайчикова
ООО НПП «ИГИС»

Рассмотрен комплекс методов для изучения строения и состояния массива пород на объектах гражданского и промышленного строительства в области развития опасных экзогенных процессов. Показана эффективность применения комплекса методов наземной сейсморазведки, межскважинной сейсмической томографии и геофизических исследований скважин для оценки структурно-тектонического строения, состояния и степени закарстованности массива пород, а также физико-механических свойств пород.

Создание инженерных сооружений, к которым относятся объекты гражданского и промышленного строительства, ведет к образованию природно-технической системы «сооружение – геологическая среда». Оба ее элемента находятся в постоянном взаимодействии, что предъявляет определенные требования к проектированию, возведению и эксплуатации сооружений с учетом реакции геологической среды на техногенные воздействия, а также требований к ее охране от негативных изменений.

Для того чтобы правильно вписать сооружение в геологическую среду, запроектировать оптимальные тип, конструкцию, технологию возведения и режим эксплуатации, назначить эффективную систему инженерной защиты застраиваемой территории и самих сооружений,
необходимо иметь достаточно полные знания об инженерно-геологическом строении массива пород, о тех процессах, которые происходят и могут развиваться в период эксплуатации сооружения.

Как известно, территория Уфы и прилегающих районов имеет довольно сложное геологическое строение, характеризующееся резкой вертикальной и горизонтальной изменчивостью физико-механических свойств пород и их анизотропией, сложным структурно-тектоническим строением, переменным фазовым составом порозаполнителей и др. Кроме этого, геологический разрез территории Уфы и многих регионов Башкортостана осложнен интенсивным развитием опасных
экзогенных процессов (карст, суффозия, оползни), которые могут оказывать и оказывают весьма негативное влияние (возникновение аварийных ситуаций, влияющих на безопасность проживания людей) при эксплуатации зданий и сооружений.

При инженерно-геологических исследованиях с целью проектирования и строительства гражданских и промышленных объектов одним из основных технических средств до настоящего времени остается колонковое бурение с ограниченным комплексом методов геофизических исследований скважин (ГК, КС, кавернометрия и в лучшем случае плотностной гамма-гамма-каротаж (ГГК-П)). Наиболее значительным недостатком существующей технологии инженерно-
геологических изысканий является дискретный, точечный характер исследований массива по разрезам отдельных скважин, не обеспечивающий даже при весьма густой их сети достоверного объемного представления о геологическом строении в межскважинном пространстве, пространственной изменчивости инженерно-геологических характеристик в массиве под проектируемыми и существующими зданиями и сооружениями.

Повышение эффективности инженерно-геологических исследований для проектирования объектов гражданского и промышленного строительства в значительной мере связано с комплексированием
стандартных методов инженерно-геологических исследований (бурение, статическое зондирование и пр.) и наземно-скважинных методов геофизики. Это позволит обеспечить объемное, детальное и
достоверное изучение геологической среды, опасных геологических процессов и явлений, прогнозирование последствий техногенного вмешательства в сложнейших инженерно-геологических условиях.

Современное развитие геофизических методов открыло новые возможности их применения при решении самых разнообразных инженерно-геологических, технических, технологических и гидро-
геологических задач при исследовании массивов горных пород для проектирования объектов гражданского и промышленного строительства, мониторинга их состояния в период эксплуатации, контроля качества укрепления грунтов. Применение современных аппаратурно-методических комплексов наземно-скважинных геофизических методов позволяет по-новому и с большей достоверностью решать геологические задачи.

В настоящее время при инженерно-геологических изысканиях для решения различных задач используется достаточно широкий комплекс геофизических методов: методы наземной и скважинной электроразведки (ВЭЗ, ВП, ЗСБ, различные методики электротомографии,
КС, ПС, резистивиметрия и др.), георадарные исследования, а также различные методы, методики и технологии скважинной и наземной сейсморазведки (МОВ, МПВ, ВСП, МССТ).

Опыт работ в городских условиях, на территориях промышленных объектов г. Уфы Республики Башкортостан, других регионов России и ближнего зарубежья (в условиях достаточно высокого уровня электрических и механических помех, требуемой детальности исследований и пр.) показал, что одним из наиболее оптимальных комплексов геофизических методов для решения различных инженерно-геологических задач (изучение геологического строения, физического состояния и пр.), а также геотехнических задач (изучение карстово-суффозионных опасных зон под зданиями и сооружениями для разработки проекта укрепления грунтов и дальнейшего контроля качества укрепления и мониторинга) является комплекс наземно-скважинных методов сейсморазведки и геофизических исследований скважин [1, 3–6].

В состав комплекса наземно-скважинной сейсморазведки входят следующие методы:
– метод отраженных волн (МОВ). Основные задачи, решаемые методом, – оценка структурно-тектонического строения и физического состояния массива пород до глубин 100–200 м;
– метод преломленных волн (МПВ) с регистрацией двух типов упругих волн – продольной и поперечной. Основные задачи метода – оценка физико-механических свойств пород, изучение оползневых процессов, оценка сейсмических свойств массива грунтов (микро-сейсморайонирование) и др.;
– вертикальное сейсмическое профилирование (ВСП) на основе трехкомпонентной регистрации упругих волн в геологических скважинах. Основные задачи – расчет упруго-деформационных и
прочностных свойств пород, залегающих в естественно-напряженных условиях массива околоскважинного пространства, а также литолого-стратиграфическая привязка данных наземной сейсморазведки к геологическому разрезу объекта изысканий;
– метод скважинной сейсмоакустической томографии (МССТ).

Метод основан на детальном изучении геологической среды в межскважинном пространстве на основе «просвечивания» ее упругими волнами. При «просвечивании» между тремя и более скважинами возможно построение объемной модели среды (3D-исследования). Является одним из основных геофизических методов для изучения закарстованных территорий. Позволяет оценить физическое состояние, степень закарстованности, выявить карстовые зоны, полости, физико-механические свойства заполнителей полости и окружающей среды как по внешним сторонам здания, так и непосредственно под зданием, сооружением, где развиваются опасные карстово-суффозионные процессы. МССТ также является основным методом для решения геотехнических задач по разработке проекта укрепления массива пород и контроля качества укрепления, а также для дальнейшего мониторинга, и находит широкое применение не только в инженерной геологии, но и в области нефтегазовой, рудной и угольной геологии;
– методы геофизических исследований скважин (ГИС). Это стандартный комплекс каротажа обязательного применения в инженерно-геологических скважинах, и являющийся составной частью паспорта скважины в составе методов гамма-каротажа (ГК), плотностного гамма-гамма-каротажа (ГГК-П), кавернометрии, резистивиметрии, термометрии и методов электрического каротажа.

Представленный комплекс инженерно-геофизических методов широко использовался для решения инженерно-геологических задач по изучению карста на территориях г. Уфы Республики Башкортостан, Республики Татарстан (гг. Казань, Зеленодольск, Нижнекамск и др.). Комплекс методов наземной и скважинной геофизики применялся и применяется для решения других инженерно-геологических и геотехнических задач в различных регионах России (Сахалин, Хабаровский край, Кольский п-ов, гг. Екатеринбург, Челябинск, С.-Петербург, Туапсе, Сочи и др.) и ближнего зарубежья (Казахстан, Белоруссия) [1, 2].

В качестве примера возможностей комплекса методов наземноскважинной сейсморазведки и комплекса ГИС далее приводятся результаты исследований на территории аварийного дома № 4 по
Уфимскому шоссе. Основные задачи исследований:
– оценка структурно-тектонического строения и физического состояния массива пород методом МОВ до глубины 100 м (территории, прилегающей к домам № 4, 4/1);
– оценка физико-механических свойств пород в условиях естественного залегания в массиве околоскважинного пространства методом ВСП в комплексе с методами ГК и ГГК-П;
– оценка состояния массива пород, степени закарстованности, а также упругих, прочностных и плотностных свойств массива пород под аварийным участком дома № 4 и прилегающей территории методом МССТ в комплексе с методом ВСП. Схема исследований приведена на рис. 1.

По результатам геофизических исследований комплексом представленных методов и данным бурения скважин были сделаны следующие выводы.

Рис.1. Схема расположения скважин
Рис.1. Схема расположения скважин

По результатам наземных сейсморазведочных исследований методом МОВ (по особенностям сейсмогеологических разрезов) изучаемый массив пород вблизи домов и прилегающей территории характеризуется сложным структурно-тектоническим строением.

Наиболее сложное структурно-тектоническое строение отмечается в массиве пород соликамского горизонта и кунгурского яруса. По общему структурному характеру изучаемый массив пород находится в пределах достаточно крупной по линейным размерам в пространстве куполообразной структуры с центром вблизи площадки исследуемых домов, осложненной нарушениями, в основном разрывного характера, со смещением слоев. Массив пород соликамского горизонта уфимского яруса и подстилающих пород кунгурского яруса имеет явно выраженное блоковое строение. Блоки относительно сохранных пород имеют различные размеры, формы и разделяются крупными ослабленными по физическим свойствам субвертикальными, сильнотрещиноватыми
зонами, являющимися в структурном плане плоскостями смещения (сместителями тектонических нарушений). Изучаемый массив пород находится в зоне сопряжения тектонических нарушений различной ориентации, очень сложного генезиса.

Рис. 2. Сейсмогеологический разрез по профилю 5
Рис. 2. Сейсмогеологический разрез по профилю 5
Рис. 3. Сейсмогеологический разрез по профилю 3
Рис. 3. Сейсмогеологический разрез по профилю 3

В качестве примера на рис. 2 и 3 приведены сейсмогеологические разрезы по профилям 5 и 3, построенные по данным метода МОВ и характеризующие строение массива в непосредственной близости к зданиям домов № 4 и № 4/1.

По результатам вертикального сейсмического профилирования скважин были рассчитаны физико-механические свойства пород, вскрытых скважинами, в условиях их естественного залегания в
массиве околоскважинного пространства. Изученные грунты четвертичных и уфимских отложений в пределах аварийного участка дома № 4 и прилегающей территории характеризуются очень низкими упруго-деформационными и прочностными свойствами.

По результатам сейсмотомографических исследований массива пород участка аварийного дома № 4, примыкающей северной части дома № 4/1 и дворовой территории была построена объемная модель упругих, упруго-деформационных и прочностных свойств изученного массива пород, которая характеризует физическое состояние изученного массива пород.

На рис. 4–6 приведены примеры геотомографических разрезов и сечений в плане, характеризующие упруго-деформационные и прочностные свойства массива пород под аварийным участком здания дома № 4 и прилегающей территории.

Рис. 4. Сейсмотомографический разрез по линии скв. 1 – скв. 2 – скв. 3
Рис. 4. Сейсмотомографический разрез по линии скв. 1 – скв. 2 – скв. 3
Рис. 5. Сейсмотомографический разрез по линии скв. 6 – скв. 2 – скв. 4
Рис. 5. Сейсмотомографический разрез по линии скв. 6 – скв. 2 – скв. 4
Рис. 6. Сейсмотомографические сечения
Рис. 6. Сейсмотомографические сечения

В целом результаты геофизических исследований свидетельствуют о развитии на участке аварийного дома и прилегающей территории карбонатного (в шешминских отложениях) и сульфатного карстов (соликамский и иренский горизонты).

ЛИТЕРАТУРА

  1. Болгаров А. Г., Поляков А. П., Болгарова О. С., Зайчикова Г. А. Технология геофизических исследований для решения инженерно-геологических задач // НТВ «Каротажник». Тверь: Изд. АИС. 2001. Вып. 82. С. 229–235.
  2. Болгаров А. Г., Поляков А. П., Болгарова О. С. и др. Аппаратурно-методический комплекс для решения задач инженерной геологии на объектах промышленного и гражданского строительства // Скважинные геофизические технологии на рубеже веков. Управление по недрам РБ, ОАО НПП «ВНИИГИС». Уфа: Изд-во «Тау», 2000. С. 218–230.
  3. Болгаров А. Г., Рослов Ю. В. Межскважинная сейсмическая томография для решения инженерно-геологических задач // Технология сейсморазведки. 2009. № 1. С. 105–112.
  4. Горяинов Н. Н., Ляховицкий Ф. М. Сейсмические методы в инженерной геологии. М.: Недра, 1979.
  5. Савич А. И., Ященко З. Г. Исследования упругих и деформационных свойств горных пород сейсмоакустическими методами. М.: Недра, 1979.
  6. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых (Петрофизика) // Под ред. Н. Б. Дортман. М.: Недра, 1984.

Рецензент доктор геол.-минер. наук, проф. Ю. И. Кузнецов

PDF-документ