Помощь студентам в учебе
АППАРАТНО - ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИМПУЛЬСНОГО СВЕРХШИРОКОПОЛОСНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ СРЕДЫ
|
ВВЕДЕНИЕ 10
1 ОСНОВЫ ЭМИ СШП ПОДПОВЕРХНОСТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ 17
1.1 Общие закономерности изменения электрофизических параметров почв 25
1.1.1 Классификация почв по изменениям электрофизических параметров 29
1.1.2 Влияние гумуса на изменение электрофизических параметров почв 30
1.1.3 Изменение электрофизических параметров почв при различных формах
почвенной влаги 35
1.1.4 Исследование высокочастотного релаксационного максимума поглощения
почв 38
1.2 Общие закономерности изменения электрофизических параметров грунтов 43
1.2.1 Особенности порового и микроструктурного пространства глин 49
1.2.2 Макродипольная электрическая поляризация грунтов 55
1.2.3 Влияние влажности и минерального состава на электрофизические свойства
грунтов 58
1.3 Электрические свойства горных пород 63
1.3.1 Проводимость и поляризация горных пород 63
1.3.2 Электрофизические параметры горных пород с учётом дисперсности 65
1.4 Георадарные измерения электрических параметров 69
1.4.1 Общепринятая структурная схема георадаров типа PRS 72
1.4.2 Современное состояние обработки данных в системах PRS 76
1.5 Основы распространения ЭМИ СШП сигналов в подстилающей
среде 79
1.5.1 Существование оптимального частотного диапазона 80
1.5.2 Применение эмпирической гистограммы амплитуды радиолокационного 81
сигнала и способы ее построения
1.6 Состояние вопроса о согласовании антенны со средой 82
1.6.1 Электродинамическое моделирование антенн 83
1.6.2 Анализ влияния подстилающей поверхности 86
ВЫВОДЫ 91
II КОМПЛЕКС ЭМИ СШП ЗОНДИРОВАНИЯ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ
СРЕДЫ 92
2.1 Характеристические частоты в подповерхностной среде 93
2.2 Состав комплекса подповерхностного ЭМИ СШП зондирования 96
2.2.1 Генератор излучаемых импульсов 102
2.2.2 ИИС комплекса 109
2.3 Принцип работы аппаратно - программного комплекса 116
2.4 Синхронизация ИИС комплекса 121
2.5 Методики аппаратурной идентификации 123
2.5.1 Методика синтезирования амплитуды сигнала 123
2.5.2 Методика определения глубины залегания слоя (объекта) 125
2.5.3 Идентификация наличия воды 128
2.5.4 Оценка наличия связанной воды в горной выработке 133
2.6 Проверка излучения комплекса ЭМИ СШП зондирования на 135
электромагнитную совместимость
ВЫВОДЫ 138
III АНТЕННЫ ПОДПОВЕРХНОСТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ. РЕАЛИЗАЦИЯ 141
СВЕРХШИРОКОПОЛОСНОСТИ ПУТЁМ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ
3.1 Применение численных методов 143
3.2 Индуктивность как объект параметрической оптимизации 147
3.2.1 Моделирование параметров погонной индуктивности с учётом влияния
земли 150
3.2.2 Результаты экспериментальных измерений частотных характеристик
неоднородной МПА подповерхностного зондирования 155
3.2.3 Анализ полученных экспериментальных данных 163
3.2.4 Экспериментальная проверка чувствительности антенны к изменению
импеданса подстилающей среды 164
3.3 Природа волн, излучаемых неоднородной МПА 168
3.3.1 Экспериментальная проверка наличия волны Н10 170
3.3.2 Неоднородная МПА как экранированная симметричная щелевая линия 172
3.3.3 Вид распространяющегося в среде поля 174
3.3.4 Голографическое восстановление поля в дальней зоне по полю, измеренному
на плоскости 177
3.4 Влияние составляющих неоднородной МПА 179
3.4.1 Учёт влияния ребра полоскового проводника 179
3.4.2 Влияние анизотропии материала подложки, оголовка и толщины
неоднородной МПА 183
3.5 Монопольная антенна подповерхностного зондирования как антенна в
материальной среде 188
3.5.1 Практическая необходимость и свойства монопольных антенн 190
3.5.2 Форма диэлектрика монопольной антенны как решение задачи
геометрической оптики 197
3.6 Тонкопроволочная (струнная) антенна подповерхностного 198
3.6. 1Чебышевский плавный переход 198
3.6.2 Антенное полотно тонкопроволочной (струнной) антенны 201
3.6.3 Результаты экспериментальных измерений частотных характеристик
проволочной (струнной) антенны 202
ВЫВОДЫ 206
IV ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ ПРИ ЭМИ СШП ЗОНДИРОВАНИИ
ПОДСТИЛАЮЩЕЙ СРЕДЫ 208
4.1 Методы описания СШП сигналов 209
4.2 Представление отражённого сигнала его эмпирическим распределением 212
4.3 Шахматная доска как способ построения двумерной ЭПВ 219
4.4 Результаты построения эмпирических распределений 223
4.5 Алгоритмы обработки данных ЭМИ СШП зондирования 229
4.6 Применение корреляционо-дисперсионного анализа данных ЭМИ СШП 237
зондирования для литологического разделения подстилающей среды
ВЫВОДЫ 251
V ПРИМЕРЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ КОМПЛЕКСА ЭМИ СШП
ЗОНДИРОВАНИЯ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ СРЕДЫ 253
5.1 Контроль качества закрепления грунта в строящихся тоннелях 253
5.1.1 Геофизические исследования ЭМИ СШП зондированием Северомуйского
тоннеля 253
5.1.2 Контроль качества закрепления грунтов на территории строительства
станции метрополитена «Звенигородская» в г. Санкт-Петербурге 257
5.2 Результаты ЭМИ СШП зондирования секции 17-I-2 плотины Бурейской
ГЭС 260
5.3 Применение метода ЭМИ СШП зондирования как составляющей
геотехнического мониторинга 264
5.3.1 Результаты ЭМИ СШП зондирования при геотехническом мониторинге зоны
«Размыва» 264
5.3.2 Мониторинг инженерно-геологического пространства в г. Сочи вперёд
забоя 272
5.4 Применение метода ЭМИ СШП зондирования при разведке месторождений
полезных ископаемых на примере горючих сланцев 275
5.4.1 В полупустынях (Иордания) 276
5.4.2 В саванне (Мьянма) 279
5.5 Применение надводного варианта комплекса подповерхностного ЭМИ СШП
зондирования 286
ВЫВОДЫ 289
VI ПЕРСПЕКТИВНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ЭМИ СШП ЗОНДИРОВАНИЯ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ СРЕДЫ 291
6.1 Аэровоздушный (самолётный) вариант комплекса подповерхностного ЭМИ
СШП зондирования 294
6.1.1 Отладка (юстировка) бортовой аппаратуры 296
6.1.2 Сравнение результатов наземных и воздушных ЭМИ СШП измерений 300
6.1.3 Низкочастотная дисперсия диэлектрической проницаемости влажных
грунтов (площадная оценка) 301
6.2 Подводный вариант комплекса 304
6.2.1 Отладка (юстировка) аппаратуры подводного варианта комплекса 304
6.2.2 Подводные работы 308
6.2.3 Построение профиля подводных работ 311
ВЫВОДЫ 312
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 313
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 315
ПРИЛОЖЕНИЯ 369
Приложение A. Порядок расчёта взаимной индуктивности несимметричной
МПА 369
Приложение B. Электродинамическое приближение 375
Приложение C. Результаты голографического восстановления поля в дальней зоне для тонкопроволочной (струнной) антенны 378
Приложение D. Сингулярность данных ЭМИ СШП зондирования как связь многомодовости отражённого сигнала с его эмпирическим распределением 380
Приложение E. Заключение на исследование 382
Приложение F. Акт контрольного вскрытия обделки 384
Приложение G. Письмо ЗАО «Управление -15 Метрострой» 385
Приложение J. Эффективность применения надводного варианта комплекса ЭМИ
СШП зондирования 386
1 ОСНОВЫ ЭМИ СШП ПОДПОВЕРХНОСТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ 17
1.1 Общие закономерности изменения электрофизических параметров почв 25
1.1.1 Классификация почв по изменениям электрофизических параметров 29
1.1.2 Влияние гумуса на изменение электрофизических параметров почв 30
1.1.3 Изменение электрофизических параметров почв при различных формах
почвенной влаги 35
1.1.4 Исследование высокочастотного релаксационного максимума поглощения
почв 38
1.2 Общие закономерности изменения электрофизических параметров грунтов 43
1.2.1 Особенности порового и микроструктурного пространства глин 49
1.2.2 Макродипольная электрическая поляризация грунтов 55
1.2.3 Влияние влажности и минерального состава на электрофизические свойства
грунтов 58
1.3 Электрические свойства горных пород 63
1.3.1 Проводимость и поляризация горных пород 63
1.3.2 Электрофизические параметры горных пород с учётом дисперсности 65
1.4 Георадарные измерения электрических параметров 69
1.4.1 Общепринятая структурная схема георадаров типа PRS 72
1.4.2 Современное состояние обработки данных в системах PRS 76
1.5 Основы распространения ЭМИ СШП сигналов в подстилающей
среде 79
1.5.1 Существование оптимального частотного диапазона 80
1.5.2 Применение эмпирической гистограммы амплитуды радиолокационного 81
сигнала и способы ее построения
1.6 Состояние вопроса о согласовании антенны со средой 82
1.6.1 Электродинамическое моделирование антенн 83
1.6.2 Анализ влияния подстилающей поверхности 86
ВЫВОДЫ 91
II КОМПЛЕКС ЭМИ СШП ЗОНДИРОВАНИЯ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ
СРЕДЫ 92
2.1 Характеристические частоты в подповерхностной среде 93
2.2 Состав комплекса подповерхностного ЭМИ СШП зондирования 96
2.2.1 Генератор излучаемых импульсов 102
2.2.2 ИИС комплекса 109
2.3 Принцип работы аппаратно - программного комплекса 116
2.4 Синхронизация ИИС комплекса 121
2.5 Методики аппаратурной идентификации 123
2.5.1 Методика синтезирования амплитуды сигнала 123
2.5.2 Методика определения глубины залегания слоя (объекта) 125
2.5.3 Идентификация наличия воды 128
2.5.4 Оценка наличия связанной воды в горной выработке 133
2.6 Проверка излучения комплекса ЭМИ СШП зондирования на 135
электромагнитную совместимость
ВЫВОДЫ 138
III АНТЕННЫ ПОДПОВЕРХНОСТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ. РЕАЛИЗАЦИЯ 141
СВЕРХШИРОКОПОЛОСНОСТИ ПУТЁМ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ
3.1 Применение численных методов 143
3.2 Индуктивность как объект параметрической оптимизации 147
3.2.1 Моделирование параметров погонной индуктивности с учётом влияния
земли 150
3.2.2 Результаты экспериментальных измерений частотных характеристик
неоднородной МПА подповерхностного зондирования 155
3.2.3 Анализ полученных экспериментальных данных 163
3.2.4 Экспериментальная проверка чувствительности антенны к изменению
импеданса подстилающей среды 164
3.3 Природа волн, излучаемых неоднородной МПА 168
3.3.1 Экспериментальная проверка наличия волны Н10 170
3.3.2 Неоднородная МПА как экранированная симметричная щелевая линия 172
3.3.3 Вид распространяющегося в среде поля 174
3.3.4 Голографическое восстановление поля в дальней зоне по полю, измеренному
на плоскости 177
3.4 Влияние составляющих неоднородной МПА 179
3.4.1 Учёт влияния ребра полоскового проводника 179
3.4.2 Влияние анизотропии материала подложки, оголовка и толщины
неоднородной МПА 183
3.5 Монопольная антенна подповерхностного зондирования как антенна в
материальной среде 188
3.5.1 Практическая необходимость и свойства монопольных антенн 190
3.5.2 Форма диэлектрика монопольной антенны как решение задачи
геометрической оптики 197
3.6 Тонкопроволочная (струнная) антенна подповерхностного 198
3.6. 1Чебышевский плавный переход 198
3.6.2 Антенное полотно тонкопроволочной (струнной) антенны 201
3.6.3 Результаты экспериментальных измерений частотных характеристик
проволочной (струнной) антенны 202
ВЫВОДЫ 206
IV ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ ПРИ ЭМИ СШП ЗОНДИРОВАНИИ
ПОДСТИЛАЮЩЕЙ СРЕДЫ 208
4.1 Методы описания СШП сигналов 209
4.2 Представление отражённого сигнала его эмпирическим распределением 212
4.3 Шахматная доска как способ построения двумерной ЭПВ 219
4.4 Результаты построения эмпирических распределений 223
4.5 Алгоритмы обработки данных ЭМИ СШП зондирования 229
4.6 Применение корреляционо-дисперсионного анализа данных ЭМИ СШП 237
зондирования для литологического разделения подстилающей среды
ВЫВОДЫ 251
V ПРИМЕРЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ КОМПЛЕКСА ЭМИ СШП
ЗОНДИРОВАНИЯ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ СРЕДЫ 253
5.1 Контроль качества закрепления грунта в строящихся тоннелях 253
5.1.1 Геофизические исследования ЭМИ СШП зондированием Северомуйского
тоннеля 253
5.1.2 Контроль качества закрепления грунтов на территории строительства
станции метрополитена «Звенигородская» в г. Санкт-Петербурге 257
5.2 Результаты ЭМИ СШП зондирования секции 17-I-2 плотины Бурейской
ГЭС 260
5.3 Применение метода ЭМИ СШП зондирования как составляющей
геотехнического мониторинга 264
5.3.1 Результаты ЭМИ СШП зондирования при геотехническом мониторинге зоны
«Размыва» 264
5.3.2 Мониторинг инженерно-геологического пространства в г. Сочи вперёд
забоя 272
5.4 Применение метода ЭМИ СШП зондирования при разведке месторождений
полезных ископаемых на примере горючих сланцев 275
5.4.1 В полупустынях (Иордания) 276
5.4.2 В саванне (Мьянма) 279
5.5 Применение надводного варианта комплекса подповерхностного ЭМИ СШП
зондирования 286
ВЫВОДЫ 289
VI ПЕРСПЕКТИВНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ЭМИ СШП ЗОНДИРОВАНИЯ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ СРЕДЫ 291
6.1 Аэровоздушный (самолётный) вариант комплекса подповерхностного ЭМИ
СШП зондирования 294
6.1.1 Отладка (юстировка) бортовой аппаратуры 296
6.1.2 Сравнение результатов наземных и воздушных ЭМИ СШП измерений 300
6.1.3 Низкочастотная дисперсия диэлектрической проницаемости влажных
грунтов (площадная оценка) 301
6.2 Подводный вариант комплекса 304
6.2.1 Отладка (юстировка) аппаратуры подводного варианта комплекса 304
6.2.2 Подводные работы 308
6.2.3 Построение профиля подводных работ 311
ВЫВОДЫ 312
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 313
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 315
ПРИЛОЖЕНИЯ 369
Приложение A. Порядок расчёта взаимной индуктивности несимметричной
МПА 369
Приложение B. Электродинамическое приближение 375
Приложение C. Результаты голографического восстановления поля в дальней зоне для тонкопроволочной (струнной) антенны 378
Приложение D. Сингулярность данных ЭМИ СШП зондирования как связь многомодовости отражённого сигнала с его эмпирическим распределением 380
Приложение E. Заключение на исследование 382
Приложение F. Акт контрольного вскрытия обделки 384
Приложение G. Письмо ЗАО «Управление -15 Метрострой» 385
Приложение J. Эффективность применения надводного варианта комплекса ЭМИ
СШП зондирования 386
Актуальность. Сегодня инженерно-геологические задачи по неразрушающему контролю геодинамики массива горных пород и процессов, вызванных техногенной деятельностью, являются востребованными. Нужны технические решения, позволяющие значительно увеличить глубину и точность обследований.
Определённый вклад в исследование подповерхностной среды вносят георадары. Они различаются составом аппаратуры и программным обеспечением.
Возможности георадиолокационного обследования в настоящее время ограничены, во-первых, достигнутой глубиной при удовлетворительном пространственном разрешении и, во-вторых, отсутствием устойчивых и практических методик анализа данных измерений в одной точке. Решение этих задач позволяет расширить классы инженерно-геологических объектов, подлежащих контролю. Поэтому выход за пределы указанных выше ограничений является актуальной и сложной научно-технической проблемой.
Решение этой проблемы возможно на пути использования генераторов мощных видеоимпульсов, которые в настоящее время созданы в России; использования широкополосных сигналов и создания соответствующей приемо-передающей аппаратуры; а также разработки новых методов обработки принимаемых сигналов, позволяющих выявить скрытую в них информацию о состоянии подповерхностных структур ( объектов).
Цель работы заключается в создании аппаратно-программного комплекса электромагнитного импульсного сверхширокополосного (ЭМИ СШП) зондирования для обследования и контроля состояния подстилающей среды мощными наносекундными импульсами.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
1. Сформулировать технические условия на линейку генераторов с технологией дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ) и их параметры.
2. Разработать методику согласования антенн подповерхностного зондирования со средой.
3. Разработать методику контроля и идентификации отраженных
электромагнитных сигналов.
4. Разработать программный комплекс, реализующий методику контроля и идентификации отраженных электромагнитных сигналов.
5. Апробировать выполненные разработки в полевых и камеральных условиях на территории России и за рубежом.
Положения, выносимые на защиту:
- технические условия (ТУ) на линейку генераторов на базе ДДРВ и ее применение;
- три типа широкополосных антенн для подповерхностного зондирования, согласованных со средой;
- повышение помехоустойчивости системы через отказ от использования сигнала синхронизации в аппаратном комплексе;
- формальные методы информационных технологий идентификации подповерхностных структур по результатам СШП измерений в одной точке;
- аппаратно-программный комплекс ЭМИ СШП зондирования для обследования и контроля подстилающей среды мощными наносекундными импульсами и его перспективные варианты для аэровоздушного (самолётного) и подводного применения;
- варианты комплекса, методики контроля и идентификации подповерхностных структур для обеспечения безопасности горнопроходческих работ, непрерывного мониторинга инъекционного закрепления на примере проходки Северомуйского (БАМ, 1999 - 2001 гг.) и Сочинских тоннелей (олимпийские объекты, 2007 - 2012 гг.) и зоны «Размыва» г. Санкт-Петербург.
Методы исследования: электродинамика сплошных сред; классическая теория четырёхполюсников; теория информационной энтропии; теория оценивания на основании информационной меры Кульбака; корреляционно - дисперсионный анализ; теория анализа временных рядов (статистическое разложение волатильности).
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Разработка на базе ТУ линейки генераторов, использующих дрейфовые диоды с резким восстановление, обеспечивает глубины контроля структуры подстилающей среды до 130 м.
2. Разработка под линейку генераторов трех типов широкополосных антенн подповерхностного зондирования - неоднородные микрополосковые, монопольные, тонкопроволочные (струнные), которые согласованы с подстилающей средой в полосе от 1 МГц до 500 МГц.
3. Повышение помехоустойчивости системы за счет отказа от использования сигнала синхронизации от генератора излучаемых импульсов и перехода к синхронизации в аппаратном комплексе от максимального сигнала из подстилающей среды.
4. Разработка преобразований временных сигналов, основанных на информационно - энтропийных критериях, литологически разделяющих подстилающую среду по результатам измерений в каждой отдельной пространственной точке.
5. Разработан подход по зондированию в одной точке, позволяющий расширить возможности контроля подземных объектов вперед забоя при горной проходке, контроль состояния быков мостов и контроль качества инъекционного закрепления.
6. Полученные технические результаты по наземному комплексу распространены на перспективные: аэровоздушный (самолётный) и подводный комплексы.
7. Создан аппаратно-программный комплекс ЭМИ СШП зондирования для обследования и контроля подстилающей среды мощными наносекундными импульсами.
Практическая ценность полученных результатов:
- разработанный комплекс и методики контроля и идентификации подповерхностных структур нашли своё применение в ходе обеспечения безопасности горнопроходческих работ, контроля инъекционных работ при проходке Северомуйского (БАМ, 1999 - 2001 гг.) и Сочинских тоннелей (олимпийские объекты, 2007 - 2012 гг.). По результатам данных СШП измерений ведётся непрерывный мониторинг инъекционного закрепления на ул. Карбышева г. Санкт-Петербург, зона “Размыва”.
Достоверность. Результаты ЭМИ СШП контроля среды вперед забоя, полученные при прямой проходке горнопроходческим щитом, подтверждены данными о геологии, полученными после окончания горных работ при строительстве Северомуйского тоннеля (БАМ) и Сочинских тоннелей. Результаты ЭМИ СШП обследования на Пантелеймоновском и Аничковом мостах (г. Санкт-Петербург) подтверждены вскрышными работами, испытаниями кернов для бетонной плотины Бурейской ГЭС, разведочным бурением на ул. Карбышева и ул. Политехническая (г. Санкт-Петербург, зона “Размыва”), проходкой тоннеля Descenderie de Saint Martin la Porte (Италия), натурными исследованиями кладки стены Московского Кремля в районе прясел №52, 53 при бурении, заверочным бурением бетонной обделки технологического тоннеля «Шесхарис - Грушовая» (г. Новороссийск).
Комплекс ЭМИ СШП зондирования нашел применение при решении практических задач в следующих организациях: ОАО НИПИИ “Ленметрогипротранс” (г. Санкт-Петербург), ЗАО “ПИРС” (г. Омск), ОАО “Метрогипротранс” (г. Москва), ЗАО ”Геострой” (г. Санкт-Петербург), ОАО “Гипротрубопровод” (г. Москва), СФУ (г. Красноярск).
Результаты данной работы могут быть рекомендованы к использованию в ряде областей промышленно - строительного комплекса, прежде всего в тоннелестроении - при зондировании вперёд забоя; в микротоннелировании - при прокладке трубопроводов и коммуникаций большого диаметра под руслом рек; в оценке строительных рисков - при определении состояния оснований и фундаментов; при геологоразведочных изысканиях на больших площадях и труднодоступных участках.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы рассматривались и докладывались на World Tunnel Congress '99. Norway, (1999, rOslo); научно - практической конференции «Подземное строительство на рубеже XXI века» (2000, г. Москва); международной геофизической конференции «Горно-геологической службе России 300 лет» (2000, г. Санкт-Петербург); международной конференции «Современные технологии изысканий, проектирования и
геоинформационного обеспечения в промышленном, гражданском и транспортном строительстве» (2001, г. Москва); научно - практической конференции «Георадар - 2002» (2002, МГУ, г. Москва); международной конференции «Тоннельное строительство России и СНГ в начале века» (2002, г. Москва); международном форуме «Рациональное природопользование» (2005, г. Москва); I общероссийской конференции изыскательских организаций «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации» (2006, г. Москва); конференциях «Научнопрактические задачи Красноярской ж.д.» (2006, 2009, 2014 г. Красноярск); международной конференции «Передовые технологии, оборудование и методы инженерно-геологических и геофизических изысканий при строительстве подземных сооружений» (2007, г. Москва); межрегиональной конференции «Особенности инженерно-геологических изысканий и определения физико-механических свойств грунтов для проектирования зданий и сооружений повышенного уровня ответственности» (2008, г. Санкт- Петербург); VII Всероссийской конференции «Финансово-актуарная математика и смежные вопросы» (2008, г. Красноярск); IV общероссийской конференции изыскательских организаций «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации» (2008, г. Москва); Proceedings ITA-AITES World Tunnel Congress (2009, г. Budapest); VII-X и XII Международных геофизических научно-практических семинарах «Применение современных электроразведочных технологий при поисках месторождений полезных ископаемых» (2009 ^ 2012, 2015, г. Санкт- Петербург); II научно - технической конференции «Сварочные и родственные технологии для подводных переходов и морских нефтегазовых сооружений» (2009, г. Москва); Международной научно - технической конференции «Основные направления инновационных технологий при строительстве тоннелей и освоении подземного пространства крупных мегаполисов» (2010, г. Москва); VII Международной конференции «Инженерная геофизика» (2011, г. Москва); Юбилейном X научно - практическом семинаре «ГИС для управления территориями, городами, предприятиями» (2011, г. Анапа); Всероссийской научной конференции «Геодинамика и напряжённое состояние недр Земли» (2011, г. Новосибирск); V и VI Всероссийских научно - технических конференциях «Радиолокация и радиосвязь» (2011, 2012, г. Москва); Jordan International Oil Shale Symposium (2012, 2014, Jordan); IV Международной научно - практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики «АПР-2012» (2012, г. Томск); всероссийской конференции «120 лет железнодорожному образованию в Сибири» (2014, г. Красноярск); II Всероссийской Микроволновой конференции (2014, г. Москва).
Публикации. По теме исследований опубликовано 46 научных работ, из которых 19 статей в изданиях по списку ВАК; 1 статья в зарубежных периодических изданиях и 4 статьи в трудах зарубежных научно - технических конференций; 4 статьи в периодических изданиях; 13 статей в трудах научно - технических конференций; 1 депонированная статья; 1 патент; 3 свидетельства на полезную модель.
Личный вклад автора. Автору принадлежит постановка
рассмотренных задач, разработка алгоритмов и вычислительных программ, проведение численных исследований и измерений метрологических характеристик комплекса, а также участие в проведении измерений и их интерпретации для наиболее ответственных работ. Автор непосредственно участвовал во всех этапах диссертационного исследования. При постановке научной проблемы существенную помощь оказал А. А. Черемисин. На этапе экспериментальных исследований, их систематизации большой вклад внес В. Н. Ильяхин. При разработке аппаратного комплекса использован опыт и научный потенциал В.М. Ефанова по созданию ДДРВ генераторов. Идея использования комплекса для мониторинга подземного пространства вперед забоя принадлежит К.П. Безродному (1996). Анализ и интерпретация данных контроля инъекционных укреплений в грунтах Санкт - Петербурга проводится совместно с С.Я. Нагорным, А.Г. Мацегорой, В.И. Маслаком.
Автор отмечает вклад А.Ф. Волкова в разработку программного
обеспечения. Автор признателен за обсуждение применения теории информации И.Ю. Лютынскому, А.А. Чапчаю. Совместно с В.М. Власовым проведен анализ материалов испытаний кернов Бурейской ГЭС и сопоставление их с данными ЭМИ СШП зондирования.
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и пяти приложений. Текст изложен на 394 страницах и дополнен 187 рисунками, 14 таблицами. Список литературы включает 531 наименования, в том числе 123 работы на иностранных языках.
Определённый вклад в исследование подповерхностной среды вносят георадары. Они различаются составом аппаратуры и программным обеспечением.
Возможности георадиолокационного обследования в настоящее время ограничены, во-первых, достигнутой глубиной при удовлетворительном пространственном разрешении и, во-вторых, отсутствием устойчивых и практических методик анализа данных измерений в одной точке. Решение этих задач позволяет расширить классы инженерно-геологических объектов, подлежащих контролю. Поэтому выход за пределы указанных выше ограничений является актуальной и сложной научно-технической проблемой.
Решение этой проблемы возможно на пути использования генераторов мощных видеоимпульсов, которые в настоящее время созданы в России; использования широкополосных сигналов и создания соответствующей приемо-передающей аппаратуры; а также разработки новых методов обработки принимаемых сигналов, позволяющих выявить скрытую в них информацию о состоянии подповерхностных структур ( объектов).
Цель работы заключается в создании аппаратно-программного комплекса электромагнитного импульсного сверхширокополосного (ЭМИ СШП) зондирования для обследования и контроля состояния подстилающей среды мощными наносекундными импульсами.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
1. Сформулировать технические условия на линейку генераторов с технологией дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ) и их параметры.
2. Разработать методику согласования антенн подповерхностного зондирования со средой.
3. Разработать методику контроля и идентификации отраженных
электромагнитных сигналов.
4. Разработать программный комплекс, реализующий методику контроля и идентификации отраженных электромагнитных сигналов.
5. Апробировать выполненные разработки в полевых и камеральных условиях на территории России и за рубежом.
Положения, выносимые на защиту:
- технические условия (ТУ) на линейку генераторов на базе ДДРВ и ее применение;
- три типа широкополосных антенн для подповерхностного зондирования, согласованных со средой;
- повышение помехоустойчивости системы через отказ от использования сигнала синхронизации в аппаратном комплексе;
- формальные методы информационных технологий идентификации подповерхностных структур по результатам СШП измерений в одной точке;
- аппаратно-программный комплекс ЭМИ СШП зондирования для обследования и контроля подстилающей среды мощными наносекундными импульсами и его перспективные варианты для аэровоздушного (самолётного) и подводного применения;
- варианты комплекса, методики контроля и идентификации подповерхностных структур для обеспечения безопасности горнопроходческих работ, непрерывного мониторинга инъекционного закрепления на примере проходки Северомуйского (БАМ, 1999 - 2001 гг.) и Сочинских тоннелей (олимпийские объекты, 2007 - 2012 гг.) и зоны «Размыва» г. Санкт-Петербург.
Методы исследования: электродинамика сплошных сред; классическая теория четырёхполюсников; теория информационной энтропии; теория оценивания на основании информационной меры Кульбака; корреляционно - дисперсионный анализ; теория анализа временных рядов (статистическое разложение волатильности).
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Разработка на базе ТУ линейки генераторов, использующих дрейфовые диоды с резким восстановление, обеспечивает глубины контроля структуры подстилающей среды до 130 м.
2. Разработка под линейку генераторов трех типов широкополосных антенн подповерхностного зондирования - неоднородные микрополосковые, монопольные, тонкопроволочные (струнные), которые согласованы с подстилающей средой в полосе от 1 МГц до 500 МГц.
3. Повышение помехоустойчивости системы за счет отказа от использования сигнала синхронизации от генератора излучаемых импульсов и перехода к синхронизации в аппаратном комплексе от максимального сигнала из подстилающей среды.
4. Разработка преобразований временных сигналов, основанных на информационно - энтропийных критериях, литологически разделяющих подстилающую среду по результатам измерений в каждой отдельной пространственной точке.
5. Разработан подход по зондированию в одной точке, позволяющий расширить возможности контроля подземных объектов вперед забоя при горной проходке, контроль состояния быков мостов и контроль качества инъекционного закрепления.
6. Полученные технические результаты по наземному комплексу распространены на перспективные: аэровоздушный (самолётный) и подводный комплексы.
7. Создан аппаратно-программный комплекс ЭМИ СШП зондирования для обследования и контроля подстилающей среды мощными наносекундными импульсами.
Практическая ценность полученных результатов:
- разработанный комплекс и методики контроля и идентификации подповерхностных структур нашли своё применение в ходе обеспечения безопасности горнопроходческих работ, контроля инъекционных работ при проходке Северомуйского (БАМ, 1999 - 2001 гг.) и Сочинских тоннелей (олимпийские объекты, 2007 - 2012 гг.). По результатам данных СШП измерений ведётся непрерывный мониторинг инъекционного закрепления на ул. Карбышева г. Санкт-Петербург, зона “Размыва”.
Достоверность. Результаты ЭМИ СШП контроля среды вперед забоя, полученные при прямой проходке горнопроходческим щитом, подтверждены данными о геологии, полученными после окончания горных работ при строительстве Северомуйского тоннеля (БАМ) и Сочинских тоннелей. Результаты ЭМИ СШП обследования на Пантелеймоновском и Аничковом мостах (г. Санкт-Петербург) подтверждены вскрышными работами, испытаниями кернов для бетонной плотины Бурейской ГЭС, разведочным бурением на ул. Карбышева и ул. Политехническая (г. Санкт-Петербург, зона “Размыва”), проходкой тоннеля Descenderie de Saint Martin la Porte (Италия), натурными исследованиями кладки стены Московского Кремля в районе прясел №52, 53 при бурении, заверочным бурением бетонной обделки технологического тоннеля «Шесхарис - Грушовая» (г. Новороссийск).
Комплекс ЭМИ СШП зондирования нашел применение при решении практических задач в следующих организациях: ОАО НИПИИ “Ленметрогипротранс” (г. Санкт-Петербург), ЗАО “ПИРС” (г. Омск), ОАО “Метрогипротранс” (г. Москва), ЗАО ”Геострой” (г. Санкт-Петербург), ОАО “Гипротрубопровод” (г. Москва), СФУ (г. Красноярск).
Результаты данной работы могут быть рекомендованы к использованию в ряде областей промышленно - строительного комплекса, прежде всего в тоннелестроении - при зондировании вперёд забоя; в микротоннелировании - при прокладке трубопроводов и коммуникаций большого диаметра под руслом рек; в оценке строительных рисков - при определении состояния оснований и фундаментов; при геологоразведочных изысканиях на больших площадях и труднодоступных участках.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы рассматривались и докладывались на World Tunnel Congress '99. Norway, (1999, rOslo); научно - практической конференции «Подземное строительство на рубеже XXI века» (2000, г. Москва); международной геофизической конференции «Горно-геологической службе России 300 лет» (2000, г. Санкт-Петербург); международной конференции «Современные технологии изысканий, проектирования и
геоинформационного обеспечения в промышленном, гражданском и транспортном строительстве» (2001, г. Москва); научно - практической конференции «Георадар - 2002» (2002, МГУ, г. Москва); международной конференции «Тоннельное строительство России и СНГ в начале века» (2002, г. Москва); международном форуме «Рациональное природопользование» (2005, г. Москва); I общероссийской конференции изыскательских организаций «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации» (2006, г. Москва); конференциях «Научнопрактические задачи Красноярской ж.д.» (2006, 2009, 2014 г. Красноярск); международной конференции «Передовые технологии, оборудование и методы инженерно-геологических и геофизических изысканий при строительстве подземных сооружений» (2007, г. Москва); межрегиональной конференции «Особенности инженерно-геологических изысканий и определения физико-механических свойств грунтов для проектирования зданий и сооружений повышенного уровня ответственности» (2008, г. Санкт- Петербург); VII Всероссийской конференции «Финансово-актуарная математика и смежные вопросы» (2008, г. Красноярск); IV общероссийской конференции изыскательских организаций «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации» (2008, г. Москва); Proceedings ITA-AITES World Tunnel Congress (2009, г. Budapest); VII-X и XII Международных геофизических научно-практических семинарах «Применение современных электроразведочных технологий при поисках месторождений полезных ископаемых» (2009 ^ 2012, 2015, г. Санкт- Петербург); II научно - технической конференции «Сварочные и родственные технологии для подводных переходов и морских нефтегазовых сооружений» (2009, г. Москва); Международной научно - технической конференции «Основные направления инновационных технологий при строительстве тоннелей и освоении подземного пространства крупных мегаполисов» (2010, г. Москва); VII Международной конференции «Инженерная геофизика» (2011, г. Москва); Юбилейном X научно - практическом семинаре «ГИС для управления территориями, городами, предприятиями» (2011, г. Анапа); Всероссийской научной конференции «Геодинамика и напряжённое состояние недр Земли» (2011, г. Новосибирск); V и VI Всероссийских научно - технических конференциях «Радиолокация и радиосвязь» (2011, 2012, г. Москва); Jordan International Oil Shale Symposium (2012, 2014, Jordan); IV Международной научно - практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики «АПР-2012» (2012, г. Томск); всероссийской конференции «120 лет железнодорожному образованию в Сибири» (2014, г. Красноярск); II Всероссийской Микроволновой конференции (2014, г. Москва).
Публикации. По теме исследований опубликовано 46 научных работ, из которых 19 статей в изданиях по списку ВАК; 1 статья в зарубежных периодических изданиях и 4 статьи в трудах зарубежных научно - технических конференций; 4 статьи в периодических изданиях; 13 статей в трудах научно - технических конференций; 1 депонированная статья; 1 патент; 3 свидетельства на полезную модель.
Личный вклад автора. Автору принадлежит постановка
рассмотренных задач, разработка алгоритмов и вычислительных программ, проведение численных исследований и измерений метрологических характеристик комплекса, а также участие в проведении измерений и их интерпретации для наиболее ответственных работ. Автор непосредственно участвовал во всех этапах диссертационного исследования. При постановке научной проблемы существенную помощь оказал А. А. Черемисин. На этапе экспериментальных исследований, их систематизации большой вклад внес В. Н. Ильяхин. При разработке аппаратного комплекса использован опыт и научный потенциал В.М. Ефанова по созданию ДДРВ генераторов. Идея использования комплекса для мониторинга подземного пространства вперед забоя принадлежит К.П. Безродному (1996). Анализ и интерпретация данных контроля инъекционных укреплений в грунтах Санкт - Петербурга проводится совместно с С.Я. Нагорным, А.Г. Мацегорой, В.И. Маслаком.
Автор отмечает вклад А.Ф. Волкова в разработку программного
обеспечения. Автор признателен за обсуждение применения теории информации И.Ю. Лютынскому, А.А. Чапчаю. Совместно с В.М. Власовым проведен анализ материалов испытаний кернов Бурейской ГЭС и сопоставление их с данными ЭМИ СШП зондирования.
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и пяти приложений. Текст изложен на 394 страницах и дополнен 187 рисунками, 14 таблицами. Список литературы включает 531 наименования, в том числе 123 работы на иностранных языках.
В диссертации проведены исследования и разработка аппаратно— программного комплекса электромагнитного импульсного сверхширокополосного зондирования подстилающей среды, предназначенного для решения инженерно - геологических задач по неразрушающему контролю геодинамики массива горных пород, грунтов, почв и процессов, вызванных техногенной деятельностью.
Основные результаты диссертации заключаются в следующем:
1. Создан аппаратно-программный комплекс ЭМИ СШП зондирования для обследования и контроля подстилающей среды мощными наносекундными импульсами.
2. Линейка генераторов на базе дрейфовых диодов с резким восстановлением, разработанная по сформулированным техническим условиям, обеспечивает глубины контроля структуры подстилающей среды до 130 м. Сформирована схема измерения параметров импульсов линейки ДДРВ генератора с амплитудой и асимметрией (иимп-1-64 кВ- Т фронт ~1 нс, Тимп ~3.5 нс ~ иимп~9.87 кВ, Т фронт ~1 нс Тимп ~10 нс) в полосе частот 10-4 07.44 ГГц.
3. Под линейку генераторов разработаны три типа широкополосных антенн подповерхностного зондирования - неоднородные микрополосковые, монопольные и тонкопроволочные (струнные), которые согласованы с подстилающей средой в полосе от 1 МГц до 500 МГц при коэффициенте стоячей волны по напряжению менее 1.85.
4. За счет реализации в приемнике режима накопления информационно - измерительной система обладает повышенной помехоустойчивостью благодаря отказу от использования сигнала синхронизации, формируемого в генераторе излучаемых импульсов и подверженного воздействию синхропомехи, и переходу в аппаратном комплексе к синхронизации от времени прихода максимального сигнала из подстилающей среды.
5. Разработаны преобразования временных сигналов, основанные на информационно - энтропийных критериях, позволяющие литологически разделять подстилающую среду по результатам измерений в каждой отдельной пространственной точке.
6. Разработанный подход по зондированию в одной точке позволяет расширить возможности контроля подземного пространства вперед забоя при горной проходке, контроля качества инъекционного закрепления подземного массива, контроля состояния массива в режиме «заморозка — оттайка» и т.д.
7. Полученные технические результаты по наземному комплексу распространены на перспективные: аэровоздушный (самолётный) и подводный.
8. Разработанный комплекс, методики контроля и идентификации подповерхностных структур нашли своё применение в ходе обеспечения безопасности горнопроходческих работ, контроля инъекционных работ при проходке Северомуйского (БАМ, 1999 +■ 2001 гг.), Сочинских тоннелей (олимпийские объекты, 2007 ^ 2012 гг.), строящегося двухпутного тоннеля между станциями «Южная» и «Проспект Славы» линии 5 Метрополитена г. Санкт- Петербурга, непрерывного мониторинга инъекционного закрепления на ул. Карбышева (г. Санкт-Петербург), зона “Размыва”.
10. Введение в состав комплекса измерителя параметров четырёхполюсника ОБЗОР-103, обеспечивающего проверку антенн на КСВН в одной из точек зондирования, делает согласование антенн со средой контролируемым
Основные результаты диссертации заключаются в следующем:
1. Создан аппаратно-программный комплекс ЭМИ СШП зондирования для обследования и контроля подстилающей среды мощными наносекундными импульсами.
2. Линейка генераторов на базе дрейфовых диодов с резким восстановлением, разработанная по сформулированным техническим условиям, обеспечивает глубины контроля структуры подстилающей среды до 130 м. Сформирована схема измерения параметров импульсов линейки ДДРВ генератора с амплитудой и асимметрией (иимп-1-64 кВ- Т фронт ~1 нс, Тимп ~3.5 нс ~ иимп~9.87 кВ, Т фронт ~1 нс Тимп ~10 нс) в полосе частот 10-4 07.44 ГГц.
3. Под линейку генераторов разработаны три типа широкополосных антенн подповерхностного зондирования - неоднородные микрополосковые, монопольные и тонкопроволочные (струнные), которые согласованы с подстилающей средой в полосе от 1 МГц до 500 МГц при коэффициенте стоячей волны по напряжению менее 1.85.
4. За счет реализации в приемнике режима накопления информационно - измерительной система обладает повышенной помехоустойчивостью благодаря отказу от использования сигнала синхронизации, формируемого в генераторе излучаемых импульсов и подверженного воздействию синхропомехи, и переходу в аппаратном комплексе к синхронизации от времени прихода максимального сигнала из подстилающей среды.
5. Разработаны преобразования временных сигналов, основанные на информационно - энтропийных критериях, позволяющие литологически разделять подстилающую среду по результатам измерений в каждой отдельной пространственной точке.
6. Разработанный подход по зондированию в одной точке позволяет расширить возможности контроля подземного пространства вперед забоя при горной проходке, контроля качества инъекционного закрепления подземного массива, контроля состояния массива в режиме «заморозка — оттайка» и т.д.
7. Полученные технические результаты по наземному комплексу распространены на перспективные: аэровоздушный (самолётный) и подводный.
8. Разработанный комплекс, методики контроля и идентификации подповерхностных структур нашли своё применение в ходе обеспечения безопасности горнопроходческих работ, контроля инъекционных работ при проходке Северомуйского (БАМ, 1999 +■ 2001 гг.), Сочинских тоннелей (олимпийские объекты, 2007 ^ 2012 гг.), строящегося двухпутного тоннеля между станциями «Южная» и «Проспект Славы» линии 5 Метрополитена г. Санкт- Петербурга, непрерывного мониторинга инъекционного закрепления на ул. Карбышева (г. Санкт-Петербург), зона “Размыва”.
10. Введение в состав комплекса измерителя параметров четырёхполюсника ОБЗОР-103, обеспечивающего проверку антенн на КСВН в одной из точек зондирования, делает согласование антенн со средой контролируемым