Admin

Геофизические методы на железных дорогах

С.В. ИЗЮМОВ, канд. техн. наук, С.В. ДРУЧИНИН, канд. физ.-мат. наук, С.И. МИРОНОВ

При строительстве и эксплуатации железнодорожных путей под воздействием техногенных и природных факторов могут происходить деформации в теле насыпи, которые ставят под угрозу безопасность движения поездов.

Перед появлением видимых разрушений внутри насыпи протекают скрытые процессы (образование пустот, заиление дренирующих слоев, переувлажнение земляного полотна, инфильтрация грунтовых вод и др.), своевременное выявление которых позволяет вовремя принимать меры по укреплению грунтов и предотвращать дальнейшее развитие подобных явлений. В связи с этим крайне важен мониторинг проблемных участков эксплуатируемых и строящихся линий.

В ООО «Геологоразведка» на протяжении 15 лет разрабатывают и применяют геофизическое оборудование и специальные программы, успешно используют новейшие геофизические методы, обеспечивающие неразрушающий контроль, высокую скорость сканирования, оперативность и достоверность получаемых результатов. В частности, подповерхностная радиолокация основана на зондировании короткими сверхширокополосными электромагнитными импульсами, которые излучаются передающей антенной, отражаются от объектов зондирования в грунте и принимаются приемной антенной. Максимальная глубина зондирования зависит от средней частоты спектра излучаемого импульса и электрических свойств грунта.

Георадиолокационный метод наилучшим образом подходит для мониторинга балласта и земляного полотна. Он имеет следующие преимущества: неразрушающий контроль; возможность применения бесконтактного режима зондирования, когда антенны, установленные на вагоне-дефектоскопе, расположены на высоте около 20 см над поверхностью геозондирования; быстрое сканирование и экономичность.

Геозондирование позволяет решать следующие задачи:

определять толщину и строение балласта (выделяя слой щебня, загрязненного мелкими частицами), а также места с повышенной влажностью;

устанавливать верхнюю границу грунтов земляного полотна и выявлять его строение под основной площадкой на глубине до 3 м;

выделять места в земляном полотне с ослабленными зонами, характеризующимися повышенной влажностью;

находить в балластном слое и земляном полотне инородные тела — металлические трубы и кабели, лежащие поперек пути, элементы верхнего строения (шпалы, рельсы), крупные камни и др.;

определять положение инженерных сооружений;

проверять качество строительства и капитального ремонта пути.

Зондирование балласта и земляного полотна до глубины 3 — 5 м, поиск подземных коммуникаций и инженерных сооружений предлагается осуществлять с помощью низкочастотных георадаров «ТР-ГЕО» со средней частотой спектра 100 — 200 МГц. Антенны георадара можно устанавливать посередине вагона-лаборатории снизу между рельсами (рис. 1).

Контроль верхнего слоя балласта и шпал с высокой разрешающей способностью выполняют высокочастотными георадарами серии «ТР-ГЕО» (средняя частота спектра 1 — 2 ГГц), установленными соответственно сбоку, над концами шпал и посередине вагона-лаборатории между рельсами.

Георадарное зондирование отличается некоторыми особенностями.

Отражение зондирующего импульса от рельса имеет достаточно большую амплитуду. Но поскольку антенны георадара на вагоне-лаборатории находятся в одном и том же фиксированном положении относительно рельсового пути, эти отражения постоянны, их легко можно вычесть из измеряемых сигналов вместе с сигналом прямого прохождения. Таким образом, отражения от рельсового пути не представляют большой помехи при зондировании. Исключение составляют стрелочные переводы и пересечения путей.


К особому относится случай, когда на путях встречаются один или два рельса, уложенные на шпалы между рельсовыми нитями, или другие металлические конструкции. Отражения от подобных предметов дают значительные помехи, которые должны приниматься во внимание при обработке и интерпретации результатов зондирования.

Отражения от железобетонных шпал могут создавать большие помехи. Речь идет о так называемых паразитных электромагнитных колебаниях виде многократных отражений от арматуры шпал (снизу) и от вагона или антенн (сверху). Для предотвращения этого необходимо антенны георадара располагать таким образом, чтобы вектор электрического поля излучаемой волны был перпендикулярен шпалам.

В любом случае сигнал, отражаемый как железобетонными, так и деревянными шпалами, отличается от отражения от балласта в междушпальном промежутке. При использовании низкочастотного георадара, учитывая небольшую высоту антенн над шпалами, отраженные сигналы будут наблюдаться вместе с сигналом прямого прохождения между антеннами георадара и выглядеть как модуляция этого сигнала при прохождении антенн над шпалами. Такие изменения сигнала могут мешать наблюдать другие отраженные сигналы от менее контрастных объектов. В этом случае модуляцию сигнала прямого прохождения следует устранять, используя пространственный фильтр.

Обеспечение высокой скорости сканирования осуществляется за счет совершенствования электронных схем георадаров и применения новых электронных элементов.

Для измерения влажности балласта и земляного полотна используют метод общей глубинной точки, устанавливая одну передающую и несколько приемных антенн в ряд таким образом, чтобы можно было одновременно проводить измерения при различных расстояниях между антеннами.

На практике наиболее широкое применение нашли георадары типа «ТР-ГЕО» разработки ООО «Геологоразведка». Модификация такого низкочастотного георадара, созданная специально для зондирования с автолаборатории или вагона-дефектоскопа, представлена на рис. 2,а. Он обеспечивает глубины зондирования, указанные в таблице. Разрешающая способность радара по глубине в зависимости от влажности грунта 0,2 —

0,4 м. Средняя частота спектра зондирующего видеоимпульса около 100 МГц (в некоторых модификациях 150 МГц). Ширина спектра зондирующего импульса как отношение верхней f2 и нижней ^ частот по уровню амплитуды спектра 10 дБ составляет не менее 3 — 3,5.

Размер каждой передающей и приемной антенн щелевого типа 40x40x7 см.

Средняя частота спектра импульса высокочастотного георадара «ТР-ГЕО» (рис. 2,6) составляет около 2 — 2,5 ГГц. Эта модификация используется главным образом для определения толщины слоев дорожной одежды, зондирования дорожного покрытия с высоким разрешением и выявления его дефектов.


Для детального обследования небольших участков путей создана специальная ручная тележка с электрическим приводом на базе георадара (рис. 3). Она изготовлена из диэлектрика, чтобы исключить возможность возбуждения паразитных электромагнитных колебаний между тележкой, рельсами и шпалами. Запись можно осуществлять автономно во встроенную флэш-память георадара либо сразу на жесткий диск компьютера с отображением на мониторе предварительных результатов зондирования в реальном времени. Тележка легко собирается и разбирается. Ее снимают, переносят и устанавливают на путь два оператора. Управляют ею с пульта. Двигатели питаются от аккумуляторов (12 В, 15 А*ч).

Специалисты ООО «Геологоразведка» проводили испытания георадаров на нескольких объектах действующих путей, в том числе около Савеловского вокзала в Москве с целью выявления границ раздела слоев в балласте и верхней части земляного полотна.

Строящийся участок (Обская — Бованенково) на полуострове Ямал обследовали для детального изучения геологического разреза и нахождения зон таяния в вечной мерзлоте. Линию сооружают в суровых климатических условиях субарктического пояса на повсеместно распространенных многолетнемерзлых породах. Сезонное оттаивание и промерзание грунтов затрудняют возведение трассы — термокарсты, образование криогенных оползней и сплывов, пучение (сезонное, многолетнее), криогенное растрескивание, термоэрозия, заболачивание. Данные зондирования на одном из участков вдоль насыпи, геологический разрез, построенный по результатам бурения скважин (через каждые 50 м), представлены на рис. 4. Георадарное зондирование позволило уточнить геологический разрез на всем протяжении исследованного участка между скважинами. Удалось установить резкое изменение структуры слоев грунта между скважинами, нечетко отраженное на геологическом разрезе, поскольку частота бурения скважин была недостаточной. Зондирование выявило сезонный слой оттаивания многолетнемерзлых пород, а также зоны с повышенной обводненностью и нарушенной структурой. В итоге определили четкую границу между насыпью и подстилающими породами, скорректировали границы между современными аллювиальными, солифлюкционно-делювиальными и прибрежно-морскими верхнеплейстоценовыми отложениями.

Аппаратура георадиолокационного зондирования с вагона-лаборатории должна включать в себя следующее оборудование:

низкочастотный георадар типа «ТР-ГЕО»;

один — три высокочастотных георадара «ТР-ГЕО» (частота 2 ГГц) для диагностики дефектов и контроля верхнего слоя балласта с высокой разрешающей способностью до глубины 0,5 — 1 м;

компьютер для сбора и записи на жесткий диск всех данных, их предварительной обработки и просмотра результатов в реальном масштабе времени;

средства для измерения координат вагоналаборатории и точной привязки результатов зондирования к местности — камеры видеонаблюдения, для сохранения видеоинформации о состоянии насыпи и окружающей местности (записи используют для точной привязки обнаруженных объектов и аномалий строения насыпи к ориентирам на местности), аппаратуру для определения и записи координат на основе спутниковых навигационных систем, датчик пройденного пути, связанный с колесом вагона-лаборатории.


Геофизический мониторинг проблемных участков эксплуатируемых путей обеспечивает получение своевременной и достоверной информации о состоянии и строении насыпи и подстилающих грунтов, на основании которой можно осуществлять меры по предотвращению деформаций железнодорожного полотна. Применение георадиолокационных методов при строительстве повышает контроль качества возведения полотна. Геозондирование позволяет уточнять положение подземных коммуникаций и повышает безопасность движения поездов.

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК

СЦБот

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Путь и путевое хозяйство".

Перенес: Admin