Обнаружение подземных коммуникаций на территории старой городской застройкипод асфальтобетонным покрытием методом георадиолокации

Цитирование: Портнягина В. В. Обнаружение подземных коммуникаций на территории старой городской застройки под асфальтобетонным покрытием методом георадиолокации / В. В. Портнягина, Г. А. Куляндин, М. Е. Будикина // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии, 2023, 16(3). С. 307–315. EDN: MMITSN тирована. Особую опасность представляют газопроводы, залегание которых неглубокое, около двух метров, из-за распространения многолетней мерзлоты. В результате вскрытия геомассива, в процессе строительных работ, нередки случаи нарушения целостности асфальтового покрытия, аварийного разрушения коммуникаций, порчи оборудования строительной организации. Для предотвращения подобных ситуаций используют технологии неразрушающего контроля.

Одним из таких способов поиска и обнаружения подземных коммуникаций является георадиолокация. На сегодняшний день метод георадиолокации эффективно применяется в инженерных изысканиях [1–5]. Принцип действия георадара основан на излучении сверхширокополосных (наносекундных) импульсов метрового и дециметрового диапазона электромагнитных волн и приеме сигналов, отраженных от границ раздела слоев зондируемой среды, имеющих различные электрофизические свойства. Такими границами раздела в исследуемых средах являются, например, контакт между сухими и влагонасыщенными грунтами: уровень грунтовых вод, контакты между породами различного литологического состава, породой и материалом искусственного сооружения, мерзлыми и талыми грунтами, коренными и осадочными породами и т.д. [3, 4]. Несмотря на широкое распространение метода в последние годы, он все еще остается недостаточно изученным. Исследователи, занимающиеся георадиолокацией, находят новые области ее применения, совершенствуют и разрабатывают другие методики получения и обработки данных.

Наряду с преимуществами метода георадиолокации следует отметить, что поиск коммуникаций с его помощью является достаточно сложной задачей для условий старой городской застройки: с погребенными остовами прежних строений, брошенными неисправными трубопроводами и неравномерно распределенными свойствами обследуемых грунтов. Влияние «воздушных» помех – наиболее частая проблема при поиске коммуникаций георадарами в городе. Более сложной проблемой является неравномерность свойств или неоднородность обследуемых грунтов [6]. Любая граница, на которой присутствует контраст значений диэлектрической проницаемости, отражающая. В этом отношении грунты мегаполисов представляют собой достаточно сложный объект исследования – для них характерна нарушенность залегания, перекопанность; наличие искусственных грунтов (пески обычно не создают проблем, но щебень, камни в толще породы могут сильно осложнять поиск коммуникаций); наличие большого количества строительного мусора, сложная гидрогеологическая ситуация (например, протечки, обводнения грунтовыми водами, водный горизонт на подошве сезонно-талого слоя, талики), наличие глинистых отложений в разрезе. Существует несколько приемов, улучшающих качество сигналов георадаров – например, компараторная оцифровка сигналов, демпфирование антенны и другие [1].

В данной работе представлены материалы по выявлению подземных коммуникаций, в частности, канализационных труб, колодца и бетонного лотка с кабельной линией на заасфальтированном участке одной из улиц г. Якутска. В качестве поискового прибора использовался георадар серии «ОКО-2» (группа компаний «ЛогиС-Геотех», Россия) [4] с антенным блоком АБ-250 (центральная частота 250 МГц).

Город Якутск расположен на территории распространения многолетней мерзлоты. Искомые объекты находятся в пределах старой городской застройки в толще деятельного слоя (слоя сезонного оттаивания-промерзания), мощность которого составляет 2–3 м. Грунты этой части земли имеют разную степень засоленности, местами высокую, до 0,96 %/100 г, что может существенно снизить глубинность георадарных исследований [7].

Данные георадиолокации получены в весенний период, когда сезонно-талый слой достигает глубины около 1 м. Передвижение антенного блока на участке осуществлялось оператором пешком. Привязка геофизических профилей на местности выполнена по окружающим объектам с помощью измерительной рулетки и лазерного дальномера, так как точность данных GPS в условиях городской застройки и высокой плотности выполняемых измерений не всегда обеспечивает необходимую точность. Разметка профилей длиной от 13 до 34,5 м на участке выполнена поперек и вдоль проезжей части улицы для обеспечения возможности пересечения линейных объектов, расположенных под землей в любых направлениях.

Для обработки георадиолокационных данных применено программное обеспечение ПО GeoScan32 [8, 9]. Использованы следующие процедуры: реверс серии георадиолокационных профилей; удаление и обрезание бракованных трасс; корректировка положения трасс; определена поверхность исследуемой среды, т.е. привязан «ноль» к поверхности среды для точного определения глубины залегания объектов; коррекция затухания амплитуд применена для выравнивания интенсивности динамического диапазона зарегистрированных колебаний; вычитание среднего применено для удаления постоянной составляющей сигнала. В процессе обработки радарограмм использовали полосовой фильтр – фильтр, позволяющий удалять низкочастотные составляющие сигнала или высокочастотные составляющие сигнала, и ре-жекторный (полосно-заграждающий) фильтр, который не пропускает частоты, находящиеся в некоторой полосе частот [10–12].

Выделение границ различных геологических слоев на радарограммах возможно благодаря различию электрофизических свойств грунтов. Одной из основных характеристик является скорость распространения волн в грунте ( v ):

V = (1)

где c – скорость света, ε’ – диэлектрическая проницаемость грунта.

По ней выполняется пересчет временной задержки отраженного импульса ( t ) в глубину (H):

где v – скорость распространения волн в грунте.

В программном обеспечении GeoScan32 этот пересчет происходит автоматически при задании соответствующего значения диэлектрической проницаемости, которое можно получить по отражениям от локальных объектов с помощью специализированных процедур. На исследуемом участке среднее значение ε' составило 7.

Таким образом, наблюдение за изменением времени задержки сигналов, их амплитудой, а также прослеживание осей синфазности позволяет выявлять в толще грунтов различные объекты и границы [10, 13, 14].

Для обеспечения визуализации полученных данных георадиолокационные разрезы сориентированы в одном направлении: поперек проезжей части – снизу-вверх; вдоль проезжей части – слева направо.

Для начала рассмотрены поперечные разрезы, которые нормированы по глубине до 4 м и выставлены относительно двойной сплошной разметки (метка М2) на проезжей части улицы – метки М1-М3 (рис. 1). По профилю Pr1 труба выявлена на 25 м на глубине 2,4 м. Судя по большой глубине ее залегания – это канализационная труба. Она проявляется на радаро-грамме обрывистой гиперболой, область сигналов которой выделена пунктиром. Это связано с тем, что в данном месте георадар переходит с асфальтового покрытия проезжей части на тротуар по бордюру, в результате ухудшается контакт антенного блока с поверхностью. Анало-

Pr2R

Legend: • – mark of the pipe on the georadar section; ▲ – mark of the concrete tray on the georadar section; M1-M3 – marks indicating the boundaries of the carriageway of the street; M2 – a label indicating the position of the dividing line on the carriageway of the street.

Рис. 1. Выявление подземных коммуникаций на поперечных разрезах

• Fig. 1.    Identification of underground utilities in cross sections

  – 311 –

гичным образом по осям синфазности дифрагированных волн выявляется бетонный лоток. По профилям: Pr4R (реверсированный), Pr2R (реверсированный) и Pr3 установлено, что искомый линейный объект залегает на глубине около 1,4 м и пересекает проезжую часть по диагонали.

Рассматривая далее продольные данные, отметим, что все разрезы нормированы по глубине до 4 м и сведены относительно друг друга (рис. 2). Глубина залегания объектов примерно на одном уровне – 1,5 м. Погребенный колодец выявлен по данным: Pr6, Pr5 и Pr11. По всем профилям прослежены бетонный лоток и трубы. Стоит отметить, что все радарограммы насыщены гиперболами (волнами дифракции) – отражениями от локальных объектов и от пересечений различных линейных объектов. Их присутствие, возможно, связано с заброшенными подземными коммуникациями, остовами старых строений и прочим мусором, накопившимся за долгие годы развития города.

Картирование выявленных объектов представлено на плане профилей (рис. 3). Отсутствие высокоточной топографической основы предполагает некоторую погрешность в их отметке.

Таким образом, в соответствии с основной задачей проведенных исследований, обнаружены трубы на глубине около 2,4 и 1,5 м, бетонный лоток и погребенный колодец на глубине 1,4 м. Установлено, что искомые линейные объекты пересекают проезжую часть улицы в различных направлениях. Положение подземных коммуникаций, выявленных методом георадиолокации, местами подтверждается визуальным наблюдением на местности по проседанию асфальта в окрестности погребенного колодца и по присутствующим на поверхности люкам.

Работа выполнена при поддержке проекта № FSRG-2017–0017 «Развитие теории и методологии пространственной организации социально-экономических систем северного региона».

Prl3R

Prl4

00м ♦00м

Legend: • – mark of the pipe on the georadar section; ▲ – mark of the concrete tray on the georadar section; ■ – mark of a buried well on a georadar section.

Рис. 2. Выявление подземных коммуникаций на продольных разрезах

• Fig. 2.    Identification of underground utilities in longitudinal sections

Legend: • – mark of the pipe on georadar profiles; ▲ – mark of the concrete tray on georadar profiles; ■ – mark of a buried well on GPR profiles

Рис. 3. Расположение подземных коммуникаций, пересекающих проезжую часть, по данным георадиолокации

Fig. 3. Location of underground utilities crossing the roadway according to GPR data