акустический способ оценки распределения цемента за обделкой тоннеля

Формула изобретения

Акустический способ оценки распределения цемента за обделкой тоннеля, включающий излучение акустических колебаний и последующую регистрацию параметров их распространения, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности результатов и снижения трудоемкости проведения исследований, о средней толщине цемента за каждым элементом обделки судят по величине декремента затухания акустических колебаний в нем.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительству, в частности к способам оценки распределения по периметру цементного раствора, нагнетаемого за железобетонную обделку тоннеля, например, метрополитена. Обделка в этом случае состоит из метровой длины колец, каждое из которых собрано из 8 элементов (сегментов). Общая прочность, жесткость и герметичность конструкции обеспечивается нагнетанием цементного раствора в заобделочное пространство.

Известны различные акустические способы оценки качества цементирования скважин, включающие излучение акустических импульсов и регистрацию параметров их распространения (Кривко Н.Н. Аппаратура геофизических исследований скважин. - М: Недра, 1991, с.179-191).

Общим недостатком указанных способов является необходимость заполнения внутреннего пространства исследуемого объекта жидкостью, что исключает их применение в строящемся тоннеле.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является эхо-метод ультразвуковой дефектоскопии (Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М.: Иностранная литература, 1977. - 726 с.). Он основан на излучении в материал исследуемого объекта ультразвуковых импульсов с последующей регистрацией отраженных от зон акустической неоднородности (дефектов или границы материала) вторичных сигналов.

Недостатком метода является снижение достоверности получаемых результатов при наличии в объекте инородных включений, в частности армирующего металла в железобетоне. Кроме того, метод характеризуется высокой трудоемкостью - продолжительность исследования одного элемента обсадки может достигать нескольких часов. Это связано с необходимостью применения достаточно высоких рабочих частот (порядка нескольких сотен килогерц), т.к. разрешающая способность по глубине непосредственно связана с длиной используемых акустических волн, которая в данном случае должна лежать в сантиметровом диапазоне. Акустические колебания таких параметров характеризуются чрезвычайно высоким затуханием в материалах исследуемого объекта (железобетон и цемент) и сложностью обеспечения надежного акустического контакта с ним (например, с помощью эпоксидного компаунда). При этом достоверная информация об объекте относится лишь к зоне, непосредственно прилегающей к установленным датчикам, площадь которой не превышает 0,1 м², тогда как площадь каждого элемента (сегмента) обсадки составляет около 2 м² . Кроме того, при проведении исследований по данному методу помимо продольных акустических колебаний формируются поперечные, которые, отражаясь от границ исследуемого элемента, искажают регистрируемые данные и снижают достоверность их интерпретации.

Задача изобретения - повышение достоверности результатов и снижение трудоемкости проведения исследований.

Поставленная задача решается способом, включающим излучение акустических колебаний и последующую регистрацию параметров их распространения.

Новым является то, что о толщине цемента за обделкой тоннеля судят по декременту (скорости) затухания акустических колебаний.

На фиг.1 представлена схема размещения аппаратуры при реализации предлагаемого способа; на фиг.2 - эмпирическая зависимость, связывающая декремент затухания акустических колебаний и среднюю толщину цемента за обделкой тоннеля метрополитена.

Способ осуществляется в следующей последовательности. На исследуемый элемент облицовки тоннеля устанавливают излучатель и приемник акустических колебаний и обеспечивают их акустический контакт с материалом элемента. Посредством излучателя в материале облицовки возбуждают первичный импульс акустических колебаний (продольных и поперечных) продолжительностью от 0,1 до 1,0 мс и с частотой заполнения от 2 до 20 кГц, постепенно затухающих во времени преимущественно за счет рассеивания (диссипации) энергии в окружающую среду. При отсутствии цемента за исследуемым элементом площадь взаимодействия с окружающими породами ограничена его собственными размерами, т.к. в этом случае соседние элементы контактируют лишь через герметизирующие резиновые прокладки и центрующие болты. При наличии цемента возникает акустическая связь (волновой канал) между соседними (по периметру и длине тоннеля) элементами, усиливающаяся с ростом толщины цементного камня. При этом в процесс диссипации акустической энергии вовлекается большая площадь контакта с окружающими породами, что ведет к росту значения декремента (повышению скорости и снижению времени) затухания акустических колебаний, находящегося, таким образом, в прямой зависимости от толщины слоя цемента за обделкой. Последний в данном случае является, по сути, волновым каналом отвода акустической энергии в окружающую среду. Численное значение этой зависимости определялось опытным путем (бурением).

Предлагаемый способ прошел промышленное опробование более чем на 9000 элементах обделки перегона "Суконная слобода" - "Площадь Тукая" Казанского метрополитена. В качестве примера в таблице приведены результаты исследования 9 элементов обделки, осуществленных в процессе промышленных испытаний.

Исследования по заявляемому способу были проведены в следующей последовательности. На центральную часть поверхности элемента 1 (фиг.1) с помощью специального приспособления были установлены излучатель 2 и приемник 3. От аппаратурного блока 4 (представляет собой персональную ЭВМ, дополненную генератором сигналов и аналого-цифровым преобразователем АЦП) на излучатель 2 подавали электрический сигнал частотой 5 кГц и длительностью 0,4 мс, преобразуемый излучателем в акустические колебания тех же параметров. Одновременно с окончанием подачи вышеуказанного сигнала включалось регистрирующее устройство аппаратурного блока, вводящее с помощью приемника 3 и АЦП в память ЭВМ амплитудно-временные параметры затухания остаточных акустических колебаний в исследуемом объекте, характеризующие среднюю толщину цемента 5 за данным элементом обделки.

Дальнейшая обработка результатов исследований проводилась в следующей последовательности. Определяли декремент затухания как величину, обратную времени снижения амлитуды колебаний в 100 раз по сравнению с максимальным (исходным) значением. По эмпирически найденной зависимости декремента затухания от толщины цемента за элементом обделки (фиг.2) определяли значение последней. Результаты исследований приведены в таблице.

Как видно из приведенных данных, расхождение между результатами исследований по заявляемому способу и фактической толщиной цементного камня в большинстве замеров не превышает 2 см, что вполне достаточно для корректного расчета в дальнейшем допустимых нагрузок на объект в процессе эксплуатации. Исключением является замер №8, где расхождение достигает 30 см. Это связано с повышенной неравномерностью распределения цемента за данным элементом: заявляемый способ дает среднее значение толщины цемента, а контрольный - лишь в точке бурения, располагающейся в центре элемента, где конструктивно предусмотрено технологическое отверстие для закачки цемента.

Таблица
№ пп замеров	Номер кольца/ элемента (сегмента)	Толщина цемента по заявляемому способу, см	Толщина цемента по данным бурения (фактическая), см
1	2	3	4
1	45/7	3	5
2	45/2	16	18
3	300/8	13	11
4	300/2	21	24
5	305/8	2	1
6	305/2	16	18
7	399/1	17	15
8	399/2	8	38
9	402/8	2	3