Место геофизики в изысканиях
Геофизические исследования — самостоятельный вид работ или часть инженерно-геологических изысканий; они выполняются на всех стадиях проектирования в сочетании с другими видами геологических работ. Исследования позволяют определить свойства и агрегатное состояние грунта, глубину залегания подпочвенных вод, наличие трещин и карстовых разломов, установить геологический разрез.
Общие требования задают СП 47.13330.2016 и СП 446.1325800.2019 «Инженерно-геологические изыскания для строительства. Общие правила производства работ». Более ранний СП 11-105-97, часть VI «Правила производства геофизических исследований», введённая в действие с 1 июля 2004 года, используется как методический источник в части, не противоречащей действующим сводам правил: подробные описания методов — от каротажа сопротивлений до электроразведки в мёрзлых грунтах — там остаются рабочими.
Что геофизика может, а чего не может
Это единственное, что стоит понять про метод до того, как заказывать работы.
Геофизика измеряет не грунт, а физическое поле: электрическое сопротивление массива, скорость прохождения упругих волн. Связь между полем и геологией существует, но она не взаимно однозначна — одной и той же измеренной кривой может соответствовать несколько вариантов разреза. Это свойство метода, а не признак плохого исполнения.
Отсюда два практических следствия.
Геофизика без бурения — гипотеза. Чтобы перевести сопротивления и скорости в геологические границы, нужна привязка к скважине с описанием керна: она задаёт соответствие «такое сопротивление — такой грунт». Одна-две опорные скважины делают всю сеть профилей количественной.
Бурение без геофизики — точки без картины. Скважина даёт достоверные сведения ровно в своём стволе. Что происходит между скважинами — линза, погребённая ложбина, ослабленная зона — из точечных данных не следует; их приходится соединять интерполяцией, которая и подводит.
Рабочая схема — сочетание: сеть геофизических профилей задаёт непрерывную картину, минимально необходимое число скважин её заверяет и калибрует. Это и есть механизм экономии, о котором обычно говорят: суммарная стоимость выходит ниже, чем у сплошного бурения по регулярной сетке, а информации получается больше.
Методы и что отвечает каждый
Вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ) — электроразведка постоянным током. Постепенно увеличивая разнос питающих электродов, получают распределение удельного электрического сопротивления по глубине в точке наблюдения. Задачи: расчленение разреза по вертикали, мощность рыхлых отложений над коренными породами, положение уровня подземных вод, выделение водонасыщенных и глинистых слоёв — они отличаются по сопротивлению уверенно.
Электропрофилирование (ЭП) решает обратную задачу — не по вертикали, а по площади. Установка с фиксированным разносом перемещается по линии с шагом 10–20 м, и результат показывает, как меняются свойства массива на примерно постоянной глубине. Так находят границы, разломные и трещиноватые зоны, участки обводнения, контуры техногенных тел.
Малоглубинная сейсморазведка методами преломлённых (МПВ) и отражённых (МОВ) волн даёт скоростной разрез. Скорость упругих волн напрямую связана с плотностью и степенью сохранности массива, поэтому метод уверенно выделяет кровлю скальных или полускальных пород, зоны разуплотнения и выветривания. Возбуждение колебаний ручное или механическое — взрывные методы при инженерных изысканиях обычно не используются, так как необходимая глубинность достигается и без них.
Каротаж скважин работает непосредственно в стволе. Каротаж сопротивлений (КС) по СП 11-105-97, части VI, выполняется путём измерений силы тока в питающей и напряжения в приёмной линиях и вычисления кажущихся сопротивлений пород при перемещении зонда вдоль скважины; обязательное условие — отсутствие обсадных металлических труб. По результатам определяется положение границ пород, пересекаемых скважиной, и их удельные сопротивления. Каротаж — это и есть та привязка, которая делает наземные наблюдения количественными.
В мёрзлых грунтах электроразведка особенно результативна: мёрзлый грунт резко отличается по сопротивлению от талого. По СП 11-105-97, части VI, геофизическими методами решаются оконтуривание и определение мощности таликов, перелетков и мёрзлых пород среди талых, а также обнаружение и оконтуривание в плане и разрезе отдельных ледяных тел различной морфологии — пластовых, повторно-жильных — и зон повышенной льдистости; границы раздела талых и мёрзлых грунтов выносятся на геологический разрез по результатам инженерно-геологической и геофизической разведки.
Как норматив назначает комплекс и густоту сети
Вопрос «сколько профилей и с каким шагом» — не предмет договорённости на объекте. СП 446.1325800.2019 задаёт и логику выбора методов, и ориентировочные объёмы, и обязательную процедуру заверки.
Классификация — по двум независимым признакам. Пункт 5.7.1 СП 446.1325800.2019 в редакции Изменения № 1 (приказ Минстроя России от 23.05.2022 № 400/пр) делит геофизические методы по изучаемым физическим полям — «электромагнитные, сейсмические и сейсмоакустические, магнитометрические, гравиметрические, ядерно-физические, газово-эманационные, термометрические» — и по способам измерений: «аэрокосмические (в том числе с применением беспилотных летательных аппаратов), наземные, подземные акваториальные, лабораторные» (так, без запятой между «подземные» и «акваториальные», напечатан текст Изменения; по смыслу это подземные и акваториальные измерения). Прежней редакции, где среди способов отдельно назывались скважинные, больше нет — скважинные методы остались в приложении Д самостоятельной графой объёмов. Один и тот же метод может выступать в разных исполнениях: электропрофилирование — наземное, электротомография — вплоть до донных установок и плавающих кос, и это разные работы с разной глубинностью и разной ценой.
Комплекс обосновывается в программе, а не подбирается по факту. Выбор геофизических методов, их комплексирование и объёмы работ обосновываются в программе с учётом поставленных в задании задач, вида градостроительной деятельности, уровня ответственности зданий и сооружений, сроков и времени (сезона) проведения работ, сложности инженерно-геологических, природных и техногенных условий территории (площадки, трассы), её размеров и рекомендаций, приведённых в приложениях Г (таблица Г.3) и Д. Норматив прямо объясняет, зачем нужно именно сочетание: «Сочетание различных методов позволяет уменьшить неоднозначность интерпретации результатов работ и повысить их достоверность». Это ровно та неоднозначность обратной задачи, о которой сказано выше: один метод даёт семейство решений, два независимых поля отсекают большую часть вариантов.
Параметрические измерения — обязательная часть, а не опция. Для обеспечения достоверности и точности интерпретации проводят параметрические измерения, которые выполняют одновременно с изучением геологической среды комплексом других видов работ — проходкой горных выработок, зондированием, определением характеристик грунтов полевыми и лабораторными методами. Параметрические измерения выполняют вблизи инженерно-геологических скважин; они позволяют сопоставить литологические границы и границы изменения геофизических параметров района исследований, а также установить корреляционные связи между геофизическими и физико-механическими характеристиками грунтов. Другими словами, привязка к скважине — не наша добрая воля, а требование свода правил.
Под каждую задачу — свой набор основных и вспомогательных методов. Приложение Г (таблица Г.3) разделяет методы по задачам. Для рельефа кровли скальных и мёрзлых грунтов, мощности нескальных и талых перекрывающих грунтов основными названы ВЭЗ, ДЭЗ, ЭТ, МПВ, МОВ, ОГТ, МАПВ (MASW), МСП, ЧЭМЗ, ГРЛ, ЗСБ, НСП, СУВР, ССВР, АМТЗ, РМТ. Для зон трещиноватости и тектонических нарушений и оценки их современной активности — ВЭЗ, ЭТ, ЭП, МПВ, МОВ, ОГТ, МАПВ (MASW), ВСП, ЗСБ, Кар, ЕП, ГЭМ, ЕИЭМПЗ, М, ГРЛ, ДЭЗ, СВР, СУВР, ССВР, АМТЗ, РМТ. Для карстовых полостей и подземных выработок — ЭТ, ЭП, ВЭЗ, КВЭЗ, МПВ, МОВ ОГТ, ВСП, МП, ГЭМ, ЗСБ, ДЭЗ. Для погребённых останцов и локальных переуглублений в скальном основании основной ряд открывает МПВ, за ним МОВ ОГТ, ВЭЗ, ЭТ, ВЭЗ МДС, ЭП, ЗСБ, М, ГРЛ, ДЭЗ, НСП, ССВР, СУВР. По гидрогеологии наборы другие: глубина залегания подземных вод — МПВ, ВЭЗ, ЯМР, ГРЛ, ЭТ; направление, скорость движения и места разгрузки подземных вод, изменение их состава — Рез, МЗТ, ЕП, ВЭЗ, ЯМР; загрязнение подземных вод — ВЭЗ, ЭТ, ЕП, Рез.
Сокращения расшифровываются там же, в приложении Г: ВЭЗ — вертикальное электрическое зондирование, ЭП — электропрофилирование, ЭТ — электротомография, МПВ — метод преломлённых волн, МОВ — метод отражённых волн, ОГТ — метод общей глубинной точки, МАПВ (MASW) — метод многоканального анализа поверхностных волн, МП — межскважинное прозвучивание, ЗСБ — зондирование становлением поля в ближней зоне, Кар — каротаж комплексный, ЕП — метод естественного электрического поля, Рез — резистивиметрия, МЗТ — метод заряженного тела, ЭК — электрокаротаж, ГРЛ — георадиолокационное профилирование, ГРЛЗ — георадиолокационное зондирование, ЯМР — метод ядерно-магнитного резонанса, М — магниторазведка, УЭС — удельное электрическое сопротивление.
Густота сети зависит от этапа. Приложение Д даёт ориентировочные объёмы. Для изучения в плане и разрезе геологических границ, обусловленных сменой литологического состава, степени трещиноватости, обводнённости грунтов, состояния (талого, мёрзлого): на стадии планировки территории и выбора площадки электроразведочное профилирование ведут с расстоянием между профилями 500–750 м и шагом по профилю 10–20 м, электроразведочных зондирований назначают 10–20 точек на 1 км², скважинных методов — 2–10 на 1 км². На стадии проектной документации сеть сгущается на порядок: расстояние между профилями 50–250 м, шаг 5–10 м, 20–50 точек зондирования на 1 км², 10–50 скважинных наблюдений на 1 км².
Для обнаружения и изучения локальных неоднородностей — карстовых, тектонических, техногенных — сеть ещё плотнее: на стадии планировки 100–500 м между профилями при шаге 10–20 м, на стадии проектной документации 25–50 м между профилями при шаге 5–10 м. Норматив оговаривает, что густота сети в пределах указанных диапазонов зависит от масштабов съёмки, определяемых сложностью инженерно-геологических условий, уровнем ответственности проектируемого сооружения и этапом выполнения изысканий, и что при назначении объёмов необходимо учитывать количество профилей и точек наблюдений, выполненных ранее. Последнее — прямое основание не переплачивать: ранее выполненные профили засчитываются.
Определение состава, строения, состояния и получение электрофизических и упругих свойств грунтов приложение Д выделяет отдельной строкой: наземные зондирования по ней помечены знаком «З» — выполняются по дополнительному требованию в задании, — а нормированы только скважинные методы: 2–15 на 1 км² на стадии планировки и 15–100 на стадии проектной документации. Это значит, что если вам нужны количественные свойства грунта, а не разрез, объём наземных работ надо оговаривать в задании прямо, иначе он в смету не попадёт.
Примечания к таблице Г.3 закрепляют три вещи, которые чаще всего теряются в программах подрядчиков. Основные методы используют в обязательном порядке, вспомогательные — для решения специальных задач или когда с помощью основных методов решение задачи возможно не в полной мере. МАПВ (MASW) при сейсмическом микрорайонировании выполняется только при соблюдении требования к частотным параметрам сейсмоприёмников — 4,5 Гц. И главное для заказчика: физико-механические характеристики грунтов, полученные геофизическими методами, являются оценочными (предварительными), должны уточняться лабораторными исследованиями и (или) полевыми испытаниями грунтов и не могут использоваться для определения нормативных и расчётных значений характеристик грунтов. Поэтому геофизические оценки свойств в наших отчётах всегда сопровождаются заверкой.
Задачи, под которые заказывают геофизику
- Мощность техногенных грунтов и рельеф кровли коренных пород — сколько насыпи и слабых отложений лежит над надёжным основанием и как эта граница меняется по участку.
- Ослабленные и обводнённые зоны — участки, где основание неоднородно и осадка будет неравномерной.
- Трещиноватость, разломные зоны, карстовые проявления — выделение аномалий для последующей заверки бурением.
- Коррозионная агрессивность грунтов и блуждающие токи — исходные данные для трубопроводов, подземных конструкций и заземляющих устройств.
- Контроль однородности основания на большой площади — там, где объект протяжённый и сетка скважин заведомо не покрывает изменчивость.
УЭС грунта: коррозия, защита, заземление
Измерение удельного электрического сопротивления грунтов (УЭСГ) — самая частая прикладная задача, и она выходит далеко за рамки геологии. От УЭС зависят коррозионная агрессивность грунта к стали, параметры электрохимической защиты трубопровода и расчёт заземляющего устройства: чем ниже сопротивление, тем агрессивнее среда и тем эффективнее заземление.
Вторая составляющая — блуждающие токи. В Петербурге их основной источник — электрифицированный транспорт: трамвайные линии, железная дорога, метрополитен. Вблизи них коррозионная опасность подземных стальных конструкций заметно выше, и по данным УЭС грунта и измеренных блуждающих токов оценивается коррозионная опасность трубопровода — например, при изысканиях магистральных и локальных газопроводов.
Коррозионная агрессивность по ГОСТ 9.602-2016: показатели, границы, методика
Измерение УЭС — не самостоятельная цифра, а вход в нормативную шкалу. ГОСТ 9.602-2016 «Единая система защиты от коррозии и старения. Сооружения подземные. Общие требования к защите от коррозии» задаёт, что именно измеряется, где проходят границы и как выполняется замер.
Три показателя, а не один. Коррозионная агрессивность грунта и почвенно-грунтовых вод по отношению к стальным подземным сооружениям характеризуется значениями удельного электрического сопротивления грунта (почвенно-грунтовых вод); средней плотностью катодного тока; наличием (или отсутствием) признаков биокоррозии. Для оценки агрессивности к стали определяют УЭС, измеренное в полевых или лабораторных условиях, и среднюю плотность катодного тока при смещении потенциала на 100 мВ отрицательней стационарного потенциала стали в грунте.
Границы шкалы. Низкая агрессивность — УЭС свыше 50 Ом·м и средняя плотность катодного тока до 0,05 А/м² включительно. Средняя — УЭС свыше 20 до 50 Ом·м включительно и плотность тока свыше 0,05 до 0,20 А/м² включительно. Высокая — УЭС до 20 Ом·м включительно и плотность тока свыше 0,20 А/м².
Два практических упрощения, которые экономят деньги. Первое: если по УЭС уже установлена высокая коррозионная агрессивность грунта, другой показатель не определяют — платить за определение плотности катодного тока не нужно. Второе: если УЭС, измеренное в полевых или лабораторных условиях, равно или более 130 Ом·м, коррозионную агрессивность считают низкой и по средней плотности катодного тока не оценивают. То есть шкала работает в обе стороны: и явно агрессивный, и явно неагрессивный грунт закрываются одним замером.
Как выполняется полевой замер. УЭС измеряют непосредственно на трассе подземного трубопровода, без отбора проб, по четырёхэлектродной схеме полевыми электроразведочными приборами; электроды — стальные стержни длиной от 250 до 350 мм и диаметром от 15 до 20 мм. Электроды размещают на поверхности земли на одной прямой линии, совпадающей с осью трассы для проектируемого сооружения; для уже уложенного в землю сооружения — на линии, проходящей перпендикулярно или параллельно, на расстоянии в пределах от 2 до 4 м от оси сооружения. Измерения выполняют с интервалом от 100 до 200 м в период, когда на глубине заложения сооружения отсутствует промерзание грунта. Расстояние между электродами принимают равным глубине прокладки подземного сооружения, а глубина забивания электродов в грунт должна быть не более 1/20 расстояния между электродами.
Отсюда два вывода, которые обычно и становятся предметом спора с подрядчиком. Замер «зимой по мёрзлому грунту» нормативу не соответствует, если промерзание достигло глубины заложения. И разнос электродов не произволен: он привязан к проектной глубине трубы, поэтому до замера нужно знать, на какой отметке пойдёт трубопровод.
Лабораторный вариант. Когда полевой замер невозможен, пробы грунта отбирают в шурфах, скважинах и траншеях из слоёв, расположенных на глубине прокладки сооружения, с интервалами от 50 до 200 м, на расстоянии от 0,5 до 0,7 м от боковой стенки трубы. Для пробы берут от 1,5 до 2 кг грунта, удаляя твёрдые включения размером более 3 мм. Перед измерением отобранную пробу песчаных грунтов смачивают до полного влагонасыщения, а глинистых — до достижения мягкопластичного состояния. Именно поэтому лабораторное и полевое значения по одному и тому же участку могут расходиться: лабораторная проба приводится к нормированному состоянию влажности, полевая — измеряется как есть.
Блуждающие токи: критерий проверяемый. Критерием наличия блуждающих токов от источников постоянного тока в грунте служит значение разности потенциалов, измеренное относительно электродов сравнения между двумя отстоящими друг от друга на расстоянии 100 м точками на поверхности земли; измерения проводятся в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Если максимальная разность потенциалов превышает 0,5 В, это означает наличие блуждающих токов. Для Петербурга это рабочая, а не теоретическая проверка: рельсовый транспорт на постоянном токе — трамвай, метрополитен, электрифицированная железная дорога — даёт именно такую картину, и вблизи путей порог перекрывается регулярно.
Биокоррозия оценивается визуально на первом шаге. Критерием биокоррозионной опасности, связанным с воздействием сульфатредуцирующих бактерий, может являться наличие визуальных признаков оглеения грунта — окрашенности грунта в сероватые, сизые, голубоватые тона — и наличие в грунте восстановленных соединений серы. Это дешёвый отсекающий признак: если оглеения нет, дорогие микробиологические исследования обычно не нужны.
Что из этого следует для проекта. Независимо от коррозионной агрессивности грунта для всех подземных сооружений предусматривают применение защитных покрытий в качестве основного метода защиты. Стальные подземные трубопроводы и резервуары, расположенные в грунтах средней и высокой коррозионной агрессивности и биоагрессивных грунтах, а также в зонах опасного действия блуждающих постоянных и переменных токов, подлежат защите средствами электрохимической защиты. Поляризованные и усиленные дренажи применяют именно при защите от коррозии, вызываемой блуждающими постоянными токами рельсового транспорта, электрифицированного на постоянном токе. Есть и дополнительный метод, о котором заказчики забывают: выбор трасс прокладки проектируемых стальных сооружений при прочих равных условиях с учётом опасности воздействия блуждающих и индуцированных токов — то есть трассу иногда дешевле сдвинуть, чем защищать.
Отдельная строка касается свай и опор: опасность коррозии переменным током промышленной частоты для несущих конструкций, используемых в качестве заземляющих устройств (естественных заземлителей), определяется плотностью тока, стекающего с поверхности арматуры подземных конструкций в грунт, и опасность существует, если плотность тока превышает 1 А/м². На площадках рядом с ЛЭП и тяговыми подстанциями это переводит вопрос из области электрики в область фундаментов.
Что мешает работам
Геофизика чувствительна к обстановке, и честная программа учитывает это заранее:
- подземные металлические коммуникации, кабели, армированные покрытия и ограждения искажают электрическое поле;
- блуждающие токи от электротранспорта создают помеху для электроразведки постоянным током;
- вибрационный фон от дорог, техники и производств ухудшает качество сейсмических записей;
- методу нужна свободная линия на местности: разнос электродов и расстановка сейсмоприёмников не помещаются в тесном дворе;
- сезонное промерзание верхнего слоя меняет его свойства и требует поправок при интерпретации.
На непригодных участках профили смещаются, схема наблюдений меняется или задача решается скважинными методами. Замалчивать помехи нельзя: интерпретация зашумлённых данных как достоверных — самый быстрый способ получить неверный разрез.
Результат
По завершении комплекса составляется итоговый технический отчёт с подробным геофизическим и геологическим описанием объекта: состав и мощность рыхлых отложений, литологическое строение пород, применённые методы и результаты с указанием зон повышенного риска — трещин, обводнений, тектонических нарушений. Отчёт содержит геофизические разрезы и карты по профилям наблюдений, а также две сводные таблицы геофизических исследований, которыми дополняется отчёт по инженерно-геологическим изысканиям.
Дополнительно определяются глубина залегания грунтов и подземных вод, направление движения водных потоков и гидравлические параметры водоносных горизонтов. Геофизика зачастую заметно снижает стоимость изысканий, избавляя от части дорогостоящих полевых геологических и гидрогеологических работ, — и одновременно показывает то, чего сетка скважин не покажет в принципе: что происходит между ними.