автореферат диссертации по строительству, 05.23.15, диссертация на тему:Оценка состояния тоннельных конструкций по данным автоматизированного контроля

^ 1 НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИЬСТИТУТ ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА.

■. /-' шиита ..'•' ..

На правах рукописи

Колесников Алексей Владимирович УДК «24.19Л58:68^32

ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ТОННЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПО ДАННЫМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОНТРОЛЯ

Специальность:05.23;15-..Мосты и транспортные,тоннели

. 05.13.07 - Автоматизация ^ технологических процессов и производств

А:в ,т о р е ф е р а т ... диссертации на соисканнб ученойстепени *авдкдй*а технические Шуе

Москва 1*Ш

Работа выполнена в Научно-исследовательском, институте •транспортного строительства.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

академик Российской Академии транспорта Мгркин Валерий Евсеевич .

Научный консультант : . кандидат технических наук' ' - ■.'..'•.- Робсман Вадим Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор . Дорман Игорь Яковлевич

доктор технических наук , . Цкуратйик.Владимир Лазаревич '

Ведудая организация: Специальное конотрукторско-тех-

нологическое бюро фирмы "Тоннель-метрострой"

Автореферат разослан "/<?" .ШХ&- 1993 г.

Защита состоится 1М0М& 1993г. В 10' часов

на заседании Ьпециализированного совета Д. 133.01.01 при Научно-исследовательском . Институте транспортного строительства. : ....

С диссертацией южно ознакомиться в библиотеке ВИИТС.

Созывы на автореферат в двух экземплярах,, заверенные печатью организации, просим направлять в адрес специализированного совета: 129320, Москва,'ул. Кольская, дЛ.

Ученый секретарь-специализированного совета,. к. т. н. ж к. Петрова

. - 3 - . . ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

• Актуальность работа Эффективность строительства тонне-• лей и метрополитенов определяется, преаде всего, выбором соответствующих инженёрно-геологическим условиям заложения способов сооружения, типов и параметров конструкций, обеспечением их надежности и долговечности. Ввиду многообразия и случайного . характера действующих факторов, значения конструктивно-технологических параметров строительства, -полученные . расчзтно-аналитическими -методами, в современной постановке рассматриваются как ориентировочные и подлежат уточнению на основе измерений в натурных условиях.

Помимо определения фактических нагрузок на ■ тоннельные конструкции и. оценки напряженно-деформированного сойтояния системы * крепь-грунт!' на ; pá^nmix стадиям; строительства, представляется, возможным .экспериментальным путем оперативно оценивать изменение устойчивости выработки и свойств окружающего грунтового массива, сохранность элементов крзллвяия. Это, в свою очередь,- позволяет' назначать наибояее экояоййч-ные для данных условия параметры конструкциЯ, кэ!{трояировать качество и обеспечивать безопасность работ. предотвращать аварийные ситуации. .; -

Используемые в. настоящее' врзмя методы натурных иэмере- • яий ( деформаций, конвергенции выработки, давления, размеров1 и зон- расположен трещин, пустотзаобделкой'ит.д.) не обеспечивают в полном обьеме, тем более в автоматическом'режиме, мониторинга за .¿ напряженным состоянием системы "крепь-грунт", в связи с чём задача:создания подобного рода мониторинга является весьма актуальной. . • • .

Цель работы. Исходя из результатов анализа развития и Использования современных методов технологического контроля в тоннелестроении целью диссертационной работы является, coa-, даниа метода диагностики повреждений конструкций крепления выработок при проведении натурных измерении непосредственно в процессе строительства тоннЬля с помоецью акустических методов и аппаратуры,; сопряженной с ЭВМ. .7 'V.-V'-Яi

Основная кдёя. работы состоит в накоплении ^ и корренти-зовке результатов натурных изморпний- о состряник системы 'крепь-грунт", й виде компьютерного байка дакких и оцуш:

стадий развитияповреждений в крепи как относительной' потери прочности путем многопараметрического анализа нелинейных за--кономерностей распространения.волн, и колебаний в конструкции деформированной крепи, '- • :

.'.-.-• Методы исследований. ■ Б;'.' проведенных . исследованиях • использовались акустические и тензометрические измерения'деформации и размеров повреждений в конструкции крепи: Регистрация к обработка данных натурных измерений осуществлялась, в автоматическом режиме, на ЭВМ и^ 1ВМРС/АТ. Для.ана-

лиза . результатов проведенных.- физических, экспериментов испольаовалксб методы компьютерного моделирования с применением- теории нелинейной акустики,• нелинейных динамических систем.'и теории распознавания, образов., которые были заложены в ' основу-" разработанных методов компьютерной идентификации стадий разрушения.

'-. Научную новизну работы-составляют: • '.. . . способы контроля напря*енно-де<|ормированног-о состояния крепи .выработки тоннеля, р использованием автоматизированных натуршх, измерений параметров нелинейного распростра-' нения волн й-колебаний в конструкции -кре11й.;.

-.-структурные блохи -разработашгсго.; йзмерите-льно-вы-чисадтельногр комплекса и область его наиболее эффективного применения ¿ля контроля состояния' арочно-бетонной крепи при .искусственнрм :замораживании грунтоарго- массива, ' набрызгбе-. тонной крепи и тюбинговой обделки при разбухании водонасыще-_ ногр глинистого; массива;. .'.'■'; '.

- экспериментально установленные признаки .относительной потери прочности конструкции Крепи,, как стадий развития тре-шцнообразования, 'распознаваемые по нелинейным . спектральным изменениям Ьигйалрв акустического контроля;. ■"• '

-экспериментально установленная' связь между стадиями роста трещин в Крепи и параметрами вероятностных законов распределения энергии в. сигналах- акустической- диагностики; '

- алгоритмы доставления крмпьютерного. банка данных на- : турныХ измерений» позволяющие накапливать- и корректировать"

. оперативную инфбрмацию^натурных измерений- для распознавания повреждений-'' в .- кре'гш -выработки, ■ и -предупреждения возможных аварийных ситуаций;.'" - > '.;■'-'- •

■Достоверность'- порченных, 'результатов подтверждается ■ со1

посгавлением данных натурных и лабораторных физических экс. перименгов, • выполненных с использованием акустических, тен-

■ зометрических и.других методов измерений {расхождение'не более,13-22%). ; • "..'■;': > • ;;* :■ ■'

. ., Практическая значимость работы:.

. 4. Разработан опытный, образец измериТельно-вычислительного комплекса для, многопараметрических натурных измерений с ■целью диагностики, состояний, конструкций ..крепи', выработки строящихся. и эксплуатируемых .тоннелей. .'...•. .

-..' 2.. Разработаны. программы для оперативной компьютерной обработки банка данных натурных измерений о состоянии и повреждениях в конструкции крепи выработки. • '' .

: 3. Внедрения разработанных методов -. и технических средств ■ для контроля повреждений конструкций крепления тон'.' нельных выработок' показали преимущество в трудозатратах по сравнению ' с существующими методами диагностики, позволили повысить оперативность, • достоверность 'и ' информативность • акустической диагностики в транспортный, Тоннёлях; ': .. " '.'■".■ Реализация.РезУдьгатьг исследований испольаЬвались; п{ж . проведении-технологичес-кого , контроля на ^различных- Этапах, строительства.следуюшда об-ьекТйВ:- ... . ;.

: :. - кольцевого тоннеля и других подаемных ' сооружений ускорителя ^элементарных частиц (УНК, = г. Протвино. Шскокская ' .область); • . ''''.•' ,'' '-Л■.Г-;;-'' '• . ' л •

;",- ■ дерегоннйх .тоннелей Ереванского. метрополитена; . ■' ; . ...• •же лез подо рожиых тоннелей- намагистрали; " Ид ййван-Раздан"-в Армении-,;/. ./;."-л . • .: •;. ■ ' . Данная~методика Позволила'дать рекомендаций, по усилению временной крепи и изменению технологий проходки на указанных. _ об;ьектах- без аварийных последствий.. \ . ; ■ : " '•.: ■ Реальный' экономический. эффект от в не д ре ни я -аку с т и че ско-го контроля•Только.с .учетсзм экйноми« материальный, й трудовых

■ ресурсов ; составил 5 '. руб на л. метротрассы ( в ценах 1006 "г.); " Расчетньй Экономический" э^ .об-Бекгов' ; внедрения сос^йЛ-Зг? ^

, :> . АпробаЦия]' Основные;. \

(шй ; работа в. целом.; даладаны. на: .секции ''Тоннели и: «^троцоли-Тены™ Ученого Сел«.-™ ШИТО 1гг. ), на Есесс-юней 1Х К0Н11хзре'иции "|[0 Моха](11ке ]'0|)Ных ЛорЬд (КиргиййЯг. .

1989г.); на научном.'семинаре АН СССР "Средства измерений и испытаний для обеспечения сейсмостойкости сооружений" (Арме-1шя, г. Ереван, май 1990 г.). . . .

- Публикаций. Материалы..диссертация отражены в 6 опубликованных. работах й 7 научно-исследовательских'отчетах.

Структура'- й объем -работы." Представленная диссертацио.нная работа, состоит из введения, пяти глав, - выводов и основных результатов; содержит 294 стр. машинописного текста, .в том числе А? рисунков и список литературы из 178 наименований и. I приложения.;'..'. • '"••

Диссертационная работа выполнена по отраслевой программ научно-ксследовательеких работ, .'.связанных с . разработкой и созданием автоматюирова:нноа мобильной системы предупреждения аварийных состояний -подземных конструкций й сооружений и разработкой оперативных методов контроля надежности крепи и . состояния массива, лр1цегающег& -к выработке тоннеля.'

.СОДЕРЖАШЕ .РАГОШ .

.'■ ■ В введении обоснована актуальность теш, сформулирована ее. цель, .отмечена научная новизна «.практическая значимость.

■. В'перз'ой.главе. на ,основе отечественного и зарубежного опыта-проведен 'сопоставительный анализ! существую®« методов, диагностики^ .повреждений крёп.1$ и показано место' виброакустических методов диагностики»- . Сформулированы, задачи диссертационной работы и выбраны методы исследований.- ' .'■ -

Известно, что* успешное проведение Горнопроходческих работ при строительстве и дальнейшая эксплуатация тоннелей в основном определяются детальностью и -качеством проведенных инженерно-геологических взысканий. ' К настоящему времени из- • взстны.различные методы изучения напряженного состояния-гор- -кого массива'.и' системы "крепь-грунт", по которым суд&т. о'' степени поврежденности крепи выработки, ■ В систематизирован--: ном виде представлены используемые в .подземном строительстве .. методы диагностики, .показаны, их -преимущества и недостатки. ■ Расчетам крепей с-учетом .-специфики'грунта'были посвящены работы И.-В. . Баклашёва, В. Г. .'Берез'анцева, Б. А, Картозии, Д.-& -Колин?., А. Лабасса, К. М. Ллбермана, В. Б.. Корклна, К. В.

/- 7 -

Рутшенейта,'' П. Д. Степанова, Р. Феннера, и др.

Расчет крепи, использующий расчетно ■■ аналитические методы; выполнялся 'М. М. Архангельским, Е С. Булычевым, JL А. Воробьевым, В. А. Гарбером, A. C.' Городецким, А..-Ф. Ревуженко, КВ. Руппе'нейтом, ER Зотиевой, В. В. Чеботаевым, RH. .Шапошниковым,' В. К Шейниным, Ё. И. Шемякиным, и другими учеными. . - • •'

Отмечено, что лабораторное моделирование и современные методы расчета не позволяют учитывать все реальные, особенности поведения системы."крепь-грунт" только по-материалам ■ проведенных инженерно-строительных изысканий..' Это объясняет роль-и место натурных физических измерений/ выполняемых непосредственно в' процессе- строительства тоннеля и позволянщх корректировать, принятые проектные решений. Кроме того, ' натурные измерения' являются наиболее'эффективным-Средством диагностики состояния системы,, "крёпь-грунт" для-количественной . характеристики Пйвредцен'ности -крепи и предупреждения ее разрушения.-. Это должно выполняться путем измерения множества параметров и различными'методами физических измерений,.

Вольтой вклад в' разработку .и внедрение • этих методов .внесли ..в нашей 'стране.' ;М.С. Анциферов, И.Е БаКЛашов; В. И. Борщ-Ко'мпо,ние:Ц,- A. C.; Вознесенский; И. Я/Дорман,. В. А. Кар-тозия; .. А. А. .Козырев, ;' М. Д КурЛеня,. И.!.(. Хавров, Г. А. 1йркоВ, ' В.В. , Меркйн,- В. И. Панин,' В.R Рабский, ■ А. Ф.-Ревуженко,' , В. А. Робсман, ' И. А» Турчанинов, У Е М,- .Тюгюник,-- В. Л. • Шкуратник, B.c.Ямщиков и др. '¿а рубежом;- Е. Лиман,- Е Хает, И. Хироматцу, . О.Вайс,; Г..Араунер/Г. Йлфрих и-др. ^ . V. '.¿С-у. .-;-.■" . '.'В последнее время-'йоявилось много различных- .теоретических. и 'экспериментальных, работ, связанных с распространй-нием. нелинейных случайных-волн И Их взаимодействием в',.' нелинейной ycjpefle, какой' является- такая • слояиы система как '."креп'ь-грунт",, ^нная проблема ранее.' рассматривались-' В; работах с;Е Гурбатова, А. Е Йалахова-,: „Ti. А. Наугольных;. .Л. А. Ост-'' . ровскрго, В. А; Ро Се мака , 0, R ■ Руде!iko, "А. И. Оаичева, 'А..М, Сутана и других ученых., ; ' •:;.■, ;>'■' •' . , У ,:': ''. -";

Наряду с .использованием современных- cju>ncTu "автоматики -й' ГфйСЬрдв *K0H-iri3öd(ä!'';ii-'r- rcfpflp-UiKJXtfMUöcKHJi.,,' ^гге.льно-'мотй--• тшйшх ,_и • других ' работах', У'ел11А:1/№'Нств6в^)<и,й: iVicii ¡логяй стрслдагяьст йа"; .fji «Лилс/|ггн«*.' toiiiWji«;А: - • юлг .böjjt-e^ айраки* .при ■•

менение находит компьютерная техника, .современные, средства •' свяди, • новая,контрольно-измерительная аппаратура. Поэтому повышение^ скорости; ;проходки; в- равной.мере зависит как от достоверности и полноты 'информации, полученной в результате ишгёНерно-геологических изыскадий, • так и от информации, цо- • лучаемой в результате .натурногр контроля, выполняемого в хо-' де строитвдьства .тоннеля. . К такой информации относятся дан- '■. ■ ные 6 состоянии массива;порой, '•■■крепи"выработки, изменении инженерно-геологических - условий ■. па мере'/продвижения вдоль' трассы строительства тоннеля и т.п. --'.'.'■'/■• .-•*•;

.,. ..' Задаод- технологического контроля, в тоннелестроении мож- •.. но представить в ввде.-следуидах четырех групп.:. •-'•'•

- > контроль, структуры, '; свойств .и .изменений состояний :. массива горных пород по мере; проходки, трассы тоннеля;'

:. - контроль - взаимодействия укрепи. выработки тоннеля и контактирующего с- 'йей шсойва.-.'■

. -: контроль продукции ■. и •'.. технологических процессов при , производстве горно-пррхсДческих, строительно-монтажных; специальных и других работах;....■..':':'.; . '••' 1 '

" г. контроль надежности работы машин, механизмов и друго- ■ ■ го оборудования, у , ' '•'-','■'■>■ :.;..'.-. : V, .;.--.:'■ .•-.-:. ' • .'.,-' '. .Реализация задач .' аппаратурного. контроля в. .условиях строительства подземных еооружений является не только - акту- • альной, . но и технически сложвой проблемой..: Действительно; . : ато позволяет, повысить скорость; проходки; качество продукции, • обеспечить технику безопасности и ряд других проблем современного тоннелестроения- Однако, требует ' создания * новых . измерительных средств, методов контроля, приборов, специализированной аппаратуры и т. д. В указанном перечне задач конт-. роли большое внимание уделяется первым двум группам задач,.. представляющим самостоятельный.научный и практический , 'интерес; Это объясняется тем, . что. при их реализации требуется проведение специальных натурных-физических измерений, вкцол-няешх непосредственно в' массиве горных пород, в непрдкреп-ленной.выработке,' в строительных материал^ ^-конструкциях, -из'которых-выполнена'крел'ь;'..' ■. '.'■ .; " . .• . ' ■

Проведение такого ■'контроля,'.отражающего содбржание- пер- ■ вы* .двух Урущ/^'в; сврЬ.-<тр^дь,'-'мо^т..вклйчать5 • ..-.■

. -V диагностику состояния Участков мзесида. вокруг неподк-.

репленной выработки ( кровли, лба забоя, целиков и др. ) от проявлений горного давления и других геодинамических процессов; •.

- обнаружение повреждений в' конструкции временной крепи выработки и в постоянной обделке;

- анализ влияния перераспределения давления на крепь в результате искусственного закрепления, грунтового массива;

- анализ влияния процессов.водопонижеиия и устройства противофильтрационных завес на изменение нагрузки на крепь;

- контроль .качества процесса цабризгбетонирования и усилий в анкерной крепи;

- определение зон-расположения и размеров пустот между обделкой и грунтом.

Известно, что прямые методы натурных измерений напряжений и деформаций крепи, смешений и характеристик горных пород связаны с Серьезными трудностями в своей технической и практической реализации. Поэтому оперативное получение достоверной количественной информации о механическом состоянии массива горных породой крепи.требует применения косвенных методов измерений, обеспеченных соответствующей серийной измерительной аппаратурой. " ■

По оценкам ''специалистов (И.А.Турчанинов, ?.. И. Панин, Е С. Ямщиков, М.С. Анцыферов и др.) акустические меч оды измерения напряженно-деформированного состояния, пород.в массиве по своему аппаратурному обеспечению занимают ведущее место среди других методов геофизических измерений. . По'материалам выполненного анализа существующих методов натурной диагностики повреждений-в крепи вырабЬтки и технических средств автоматизации, натурных измерения были сформулированы следующие задачи диссертационной работы:"' •

1. Определение,' lia основе новых информативных параметров, производственно - Технологических требований к Средствам диагностики повреждений в конструкциях крепи выработки тоннеля при автоматизированных натурных, физических измерениях и их компьютерной.обработке,

2. Разработка автоматизированного аппаратурного комплекса для проведения измерений; а. также алгоритмов и программ Для обработки результатов, измерений.

,3. Проведение физических, й компьютерных экспериментов с

.. .. 10 г .

целью, идентификации, стадий накопления повреждений и предупреждения внезапного .разрушения, элементов крепи по нелинейным изменениям -распространения волн и колебаний'в деформированных- средах/ '.'• ;.' ;,:..•;"/ ^ . ',, ' '■ '-

- ' -4. ' Доведение . экспериментальных , исследований в выработках строящихся тоннелей путем.натурных измерений и составление компьютерного банка информации'для. распознавания повреждений крепи..'■''

5. Практическое, применение разработанных методов диагностики, повреждений конструкций крепи на базе измерительно. -' вычислительного. комплекса и компьютерной обработки натурных ■ измерений ;в строяшдася тоннелях и Метрополитенах.

-Разработанная методика, проведенные.физические и компьютерные эксперименты, построенные на комплексном использовании, сопряженной с ЭВМ-различной, по назначе нкю аппаратуры для . физических измерений,' -выполнены . под научным" руководством к.т.н. Робсмана К А. '•'' • ■:: '..

Во второй главе работы содержится', ..методика проведения . натурных автоматизированных измерений для.диагностики состояния конструкции крепи в „выработке строящегося тонне ля. Для создания- банка данных возникает необходимость автоматизации многопараметрической диагностики состояния конструкции • крепи, ' что. возможно ' йу^ем:комплексного использования средств измерения и вычислительной техники в виде единого измерительно .- вычислительного .комплекса (ИВЮ для производства натурных . измерений в строящихся Тоннелях. ¿Здесь же приведены структурные схемы автоматизированных.экспериментов и схема разработанного измерительно-вычислительного -комплекса . для проведенных лабораторных экспериментов. Показано, что разработанная блочная, структура построения системы технического, обеспечения для- натурных' измерений- поврежденности конструкций^ крепи выработки достаточно-гибкая, что позволяет, расширить класс решаемых задай и ,объектов контроля. - .

Используемые в настоящее время для обработки- данных акустической диагностики серийные, приборы'и аппаратура позволяют-фиксировать лишь некоторые, параметры сигналов.. Су-'. тстпутезя оп'честщтщ . -¿ипарэтура" :'-не.;ноэволяёт детально. • фиксйрорать'-.Цорму■ сигналов.- диагидотики»' ".Регир¥1)Ымя- &. ка-; кйх-либо отдельные -пзрамет1мй .:,Сигналов..- V, '«'¡р^елрние их-,

-и - ..

функциональных связей с параметрами'напряженно - деформиро-. ванного состояния грунта, и ..обделки, размерами дефектов не обеспечивает получение надежных признаков для- достоверного контроля состояния тоннельной конструкции, ■ так Как.корреляционные зависимости ' де'фЬрмированой' среди строятся, исходя, из предположений линейной теории, , и, слабо учитывают .стёпейь случайного, расположения'внутренних повреждений, неоднородность и другие.факторы. ' Это можно учесть при анализе распространения волн и колебшмй в нелинейно - деформированной поврежденной структуре конструкции -крепи.. Предлагаемая методика. автоматизации натурных, измерений.позволяет проводить многоканальную регистрацию данных натурных измерений- и их последующий многопараметричеекий анализ: ; • . - '

'■ ■ Методика проведения натурных - измерений для оценки состояния крепи, выработки 'и. постоянной, обдёлки тонне-ля представляется в виде'последовательности операций с использованием приборов дефектоскопии, акустической эмиссии и других физических измерений,, связанных • с анализом , закономерностей распространения в / материале крепи, регулярных волн иди импульсов в ^звуковом и-ультразвуковом диапазонах. .';"

. ■ ' Основываясь на теоретических, положениях- механики-, р'азру-. шенИя, -стадий процесса трешюобраз'ования-. представляются в виде двух последоватёльн.ых атапо'в: докрит'ического и аакрити-ческого роста. -'Первая'связана,-. в основном, с. эа)>оадением и ..медленным . ростом'. локальных микро-.и.. шкгютрещин*, вторая'-харсвдеризует последующее увеличение Не. только ■ их линейных . размеров,, но й такие процессы взаимодействиякак вё'двление, . объединение :и' nette ход:' в ' лавиНнум- стадий- ' катастрофического ■разрушения конструкции.' Эксперименты.,- описанные, ниже, пока. зали, • что'развитие процесса разрушения всегда' носйт скачко* - образный характер. .При этом , скорость' рбста трещин' И йХ. концентрация изменяется в 'дготаточно.широких пределах '.й . имеет случайный. характер распределения В щостранстье и времени в ' результате увеличения нелинейных деГ^рмацйй.' Разработанная методика реализов;1шгнйто.шш..ь видо_ экспериментального об- , разца измерительно : шчислительного к.Умпле'ксн, но и специального ■ программного. обеспечения, ; V'^^ayj^po спектйкьний- И вероятностные' методы йнал'йаа'^'дайн.ых iiarypriHJi'фиериний. ;

В трет ьу й г л'.- ¡не' - работы '. иаложс ни' yai.tàr U .'¡'Гров'^дън'нь'х

. .- 12 -

экспериментальных исследований, связанные с изучением процессов накопления повреждений при разрушении материалов. В лабораторных экспериментах по .закономерностям распространения акустических. волн изучалось разрушение образцов горных пород и бетона. '

В первую очередь ' решалась задача •повышения точности акустического; контроля. Для этого вначале теоретически, а потом экспериментально исследовались пути увеличения точности метода. Кагружениэ. образцов пород осуществлялось на прессе Р-20. На образцы наклеивались Четыре т'ензодатчика : два продольных, к два поперечных по отношению к'направлению кзгруйзния. Сигнал с тензодатчиков подавался на тензоштри-ческую аппаратуру 8-АНЧ-21, а затем - на ЭВМ IN-110, ' где он через Гфограммируёмые фильтры- '.щшнпс. частот, подавался- на вход 12-разрядного аналого-цифрового преобразователя. На один та входов АЦП подавался также сигнал с датчика нагрузки, установленного на.прессе. Для контроля АЭ. использовалась аппаратура АФ-15, ' Паласа пропускания' частот 20кГц- • 2 ЬгГц. Выход аппаратуры АФ-15 "'подключался к цифропечатаюкему устройству II-6800GK, гдв. на ленте регистрировалась ■ активность АЭ, интенсивность АЭ в аглшггуда в условных 'единицах от 0 до 99 ( 0-5 Вольт).. Работа всей установки (момент регистрации показаний) синхронизировалась сигналами.времязадающего блока в А<М5, причем время Между соседними отсчетами устанавливалось равным 1 сек. Данные о нагрузке и деформациях через АЦП по синхросигналу вводились в ЭВМ й записывались на Магнитную ленту. Управление кагруЕЗНием .'процесса осуществлялось _ вручную. Бремя нагружения от начала до „разрушения образца - 3-15 МШ. '■ '"

Для оценки ошибок при компьютерной классификации были отобраны данные, ' полученные по-4 образцам с пределом прочности от 50 до 190 кН. При обработке показаний данные разбивались на участки, соответствующие 20 сек нагружения. , На каждом участке определяли средние значения нагрузки, деформаций,. суммарную АЭ за 20 сек. Величина нагрузки давалась в процентах от разрушающей. ;В качестве неустойчивого состояния принималось напряженное состояние,: соответствующее нагрузкам, лежащим в диапазоне -от . 90 .до .100% от разрушающих значений.' Напряженное состояние,', соответствующее. диапазону нагру-

зок ниж 90%, принято за область устойчивого состояния. Параметра!,ш классификации были выбрани величины продольных относительных деформаций образцов и активность акустической эмиссии.

Анализ показал, что увеличение чиола измеряемых параметров с одного до двух снижает вероятность ошибки при определении состояния только при определенных условиях. Погрешность многопараметричеасого контроля, уменьшается, в частности, при:

- увеличении перекрытия плотностей вероятностей различных классов;

- уменьшении коэффициента корреляции параметров контроля; ,

- уменьшении абсолютного значения коэффициента корреляции погрепгостей.

. Преимущество контроля по двум параметрам особенно отчетливо видно при больших погрешностях измерений, т. е. в условиях сильных помех, существенно искаяающих значения параметров контроля (в, данном примере вероятность ломюй тревоги об аварийном состоянии уменьшилась с-56% до 18%).

Дальнейшей задачей лабораторных исследований являлось расширение границ метода и повышение его точности за счет анализа большего числа регистрируемых.параметров, выбора наиболее информативных из. них.

Первоначально эксперименты по• Исследованию параметров . акустической эмиссии- проводились на специализированной ми-ни-ЭШ 1Н-110, "позже- был создан 16-ти-каяага>ны^ измерительно-вычислительный комплекс (ЙВК), подключаемый через адаптер' к персональному, компьютеру типа 1ВМ РС/АТ. ■

При отладочно-монтажных работах было опробовано несколько вариантов компоновки машин, для механических испытаний, измерительных, регистрирующих устройств, каналов свя7 , эи. меаду ними в ЭВМ. ., Оптимальный вариант для испытания образцов бетона и горных пород был достигнут- при использовании универсальной' испытательной машины, типа УРС-50/50 с применением специализированной. ЭВМ -ММЮ,. акустико-эмиссионного прибора типа АФ-15, двухкоординатяого самописца ЛКД4-003, семиканального магнитографа НО-67. .-,....

.При-лабораторных исследованиях-процесса, хрупкого разру- .

шения. были проведены испытания да статическую нагрузку кернов горных пород, отобранных в выработках, строящихся тоннелей, а также с различных, месторождений. . Испытания проводились на кернах скальных пород (гранит, '. песчаник, аспидный сланец, базальт,'.известняк и т.п.)'. Образцы имели форму куба, призы и. цилиндров.. Также было проведено 13 серий, экспериментов на' бетоне разной прочности (М100-400).

Качественную; .картину ■ процесса разрушения . конструкций

Спок принятия-критериальных решения .

и

[ Уплотнение материала | [.Образование микро- и цакротрещии | ¡Стадий когерентного рзап*шдейств;:я| ' .-[Стадия аварийного разрушения]- ■

Рис. 1 .Стадии разрушение ■ кбнструкцйй тоннельной .крепя -

крепи и ..горных . пород можно представить: как последователь-' ность следующих стадий тре.щишобразованкя( рис. 1). " На первой стадии происходит' уплотнение породы и закрытие существующих трещин. На второй стадии образуются йикро- и макротрещины, что является причйной разу.плотнения породы. На третьей стадии начинается активный -рост трещин, их ветвление и разрых-лецие города с образованием магистральных, трещин. ' Четвертую, заключительную стадию, обычно называют Лавинной стадией внезапного разрушения. В качеств« .анализируемых параметров была иринята спектральная плотность Сигналов акустической эмиссии и ее изменение в.зависимости от уровня нагружония образцов. В качестве 'параметров .ультразвуковой ' диагностики ' состояния конструкции к£епи анализировались зависимости "скорость продольных волн - напряжение" к "напряжение - декремент затуха-

■ - .15 -

ния волн". Для повышения информативности метода контроля одновременно использовались и другие характеристики распространения акустических волн на разных.стадиях процесса нагру-жения,-.например," вероятностные законы распределения'сигналов ПО уровням. МОЩНОСТИ; • ':..'..'. . '

При проведении экспериментов-,-- связатых . с анализом распространения- волн в режиме активной локации повреждзнной среды использовалась серийно выпускаемая аппаратура' для ультразвукового контроля типа УК-14 П. В. качестве излучателя и приемника- регулярных волн использовались, пьезоэлектрические преобразователи с-резонансной- -частотой 75 кГц. Испытания проводились . на гидравлической машине УРС-50/50 на образцах бетона в форме-призм..'с размерами 100x100x300 ммШОО-400).

Как показали проведенные эксперименты, на упругой'стадии, деформации'образцов в.распространении волн никаких нелинейных изменений-в.частотном спектре не-наблюдалось.'С началом развития неупругой, деформации в спектре сигнала . акустической-локации, кроме основной гармоники-на частоте 60 кГц, появились высокочастотные составляющие,* ■ которые генерировались по мере роста' нагрузки (100, 120, 180 кГц). Нагрузка ' повышалась ступенчато,. вплоть-до разрушения, и выдергивалась на каждой: ступени- на время заци'сй -сигналов..'., Измерения показали,- что. по мере'роста, нагрузки амплитуда, обставляющих в спектре увеличивается по нелинейным законам. Такоеизменение в . 'спектре свидетельствует о том; что уровень неупругой деформации. влияет на соответствухЯЕее йзмецениё в закономерности распространения в ереде регулярного. акустического сет-нала. На разных уровнях неупругой' деформации по второму каналу измерений параллельно был зарегистрирован поток импульсов АЭ, интенсивность которого возрастала с ростом трещин в образце. Аналогичные данные были прлучены при анализе декремента затухания. . ::'-."■,'■'-.'■,

Эксперименты, проведенные в лабораторных условиях, позволяли, обнаружить, что.'на начальных стадиях роста ' деформации, когда нагрузка'на образец, не превышала 5-12% от разрушающей, в спектрах- регулярной. волйы, наблюдается генерация высокочастотных гармоник. При' большие неупругих деформациях, которые, соответствовали .нагрузкам порядка 35-60%. от- разрушат . кяцвй;.'- в-с.Пе.ктре; рргу.лярной ролнц нзбл'кда1отся.'коЦкнзцион!ше

и независимо составляющие. При росте'нагрузки до уровня порядка 70-75 % от разрушвщвй, в спектре наблюдается увеличе-ш:о фэноЕоВ шумовой компоненты. При разрушающей нагрузке была зарегистрирована трансформация спзктра в широкополосный

■ шумовой. Следует.''подчеркнуть, что на перераспределение энергия мзгду гармониками регулярной • волны и расположение составляющая-АЭ в.спектре оказывали'влияние не только уро-еовь кздшюйной. деформации, но тащее различия в структуре и Физических свойствах материалов, Спектры црозвучивани'я разной степени наруезцкости образцов показывают, что с увеличением степени трецшговатостц происходит ешкеше максимума спектральной плотности в сторону низках частот. личина макспмука при этом укзньсается, что говорит:. об ■ ухудшении . проходимости вол« через, .среду. . .

В четвертой'гдаво работы изложены материалы проведенных компьютерных виспзришнтой с .математической моделью распространения колебаний .в инейкой и не линейной цепочке связанных сосредоточенных касс. Полученные результаты моделирования позволяют качественно объяснить данные, полученные при. проведении ф1за.чзски2 экспериментов. Линейная модель- цепочки сосрсдаточзцнш: наос описывает колебания,- возникающие при волновой диагностике упруго деформированной среды.от.-источника с..относительно небольшой. интенсивностью, излучения. Вторая модель отражает распространенна нелинейных колебаний в кзупруго дефорюфаванной среде. .. _ -.-

. При' кошьютерных'экспериментах,. позволяющих изучить характер! изменения колебаний, кезеду сопряженными блоками -грунта, принималась одномерная цепочка, сосредоточенных масс, ю-

■ делирурщих, отдельные блоки,' с вязКоупругими .связями между ними. . Такая (»даль', в определенной степени .отражает картину прохождения упругих волн через блочную, систему и позволяет' оценить' влияние сил , трения между сопряженными блоками при распространении р № колебаний от упругих импульсов.

' Результаты математического, моделирования показали, что - увеличением прения между блоками спектры их колебаний становятся широкополосными. При этом, чем блок расположен дальше от источника возбуждения, тем полоса спектра его колебаний уже.. Увеличение сил трения .на удаленном от источника воздействия, блоке (удаленной сосредоточенной массы в цепоч-

• • 17"

ке)- приводит к уменьшению амплитуды, . смещению ■ максимума и уменьшению ширины.спектра. Ранее-такие спектральные измене- ния . были обнаружены в физических экспериментах при звуковой и. ультразвуковой Диагностике трещиноватых скальных' пород.

Вторая математическая модель,' • предложенная й.т.н. В. А. Робсманом,' была построена'на предположении, что излучение, упругой волны, -1 возникающее на кончике''развивающейся трещины, аналогично поведению, трещины как'-акустического резонатора при его.импульсном.возмущении. Такая модель, в случае роста одной из двух • связанных -'трещин, .может-- бьрь ■. представлена системой- -уравнений колебаний двух . сосредоточенных масс с восстанавливающей силой, имеющей простейшую квадратичную.нелинейность.'; Шдель: рассматривалась для "объяснения-нелинейного эффекта нарастания, искажений в. спектрах.сигналов акустической эмиссии, ранее обнаруженного экспериментально при ла-,. бораторнкх и. натурных измерениях. Это также нашю качественное . .подтверждение', в' -результатах математического моделирова-.

НИЯ. / ..- •', ' . . '• ..' '- •'

■В последующих компьютерных-экспериментах - был проведен многопараметрлческйй. анализ результатов, физических, измерений,. проведенных'.как в .лабораторных;- так и натурных услови- ' . ях; Дяя чего использовался'один-из алгоритмов, теорий-распознавания. образов (кластерный анализ); Несбходимость использо-- вания такого метода- обработки'-для,-анализа натурных, измерений ' -диктуется большими, трудностями аналитического описания • сложных 'волновых' процессов, происходящих: в нелинейно .- деформи-; рованной среде и их св.й.зй с прочностными:' и . деформационными . .параметрами;. Такие, исследования' проводились' на примере испы-' тания серии образцов бетона; взятых из набрызгбетонной крепи при-.'/новоа'в'стрМском способе■ .проходки (. участок СПП-4УНК г. Протвино). Это дало'возможн'ость -. построить-' обучающую ста-'.. тистичёскую выборку, для проведения • многопараметрической диагностики состояния "других/участков'деформированной,набрызг-. бетонной Рср'епи и показало-преимущества-этого метода. ' .-■

' ■".' В пятой .главе -дается 'изложение /Некоторых. ..результатов " практического внедрения разработанных' методов - мнотопарамет-рической диагностики 'различных..конструкций ■. крепления,- выработки в строящихся тойнёлйх,'.-'{Ойвешгоё'.^ойёржант .этого раз-, дела -работы.- отразит "реьу лкагн'. диагнрсгнки .кольцевого- тон-

неля и других подземных сооружений ускорительного комплекса УНК в г. Протвино, Московской области. Здесь проводились натурные измерения для определения состояния следующих типов конструкций крепи .тоннельной, выработки и .'вертикальных шахт:

арочной бетонной крепи - для анализа эффекта влияния перераспределения давления•на крепь в результате закрепления грунтового массива, методом искусственного замораживания; ■ •

тюбинговой обделки ' - для анализа влияния процессов во-до.понижения й -изменений нагрузки на крепь ,от разбухания во-донасыщеных глин; '■'-..'. . набрызгбетонной крепи...

Натурные'измерения'в .транспортной штольне ствола.N1012, проводились ■ длй предупреждения возможной аварийной .ситуации • от-влияния'роста давления на крепь в результате, длительного процесса.искусственного замораживания водонасыщеного грунта (измерения дейфмаций - деформомеафом' ЦЮЖСа, ультразвуковая диагностика . '-•■ УК-1Ч о регистрацией сигналов, на магнитографе НО-67 -и- регистрация: сигналов акустической.эмиссии. ^ прибором АФ-1Ь).. -Дагчики акустической диагностики' прикреплялись в . различных точках к открытой поверхности крепи специальной мастикой (рис. 2). . .'• • ■ '-.,-

...По результатам. натурных измерений и. их обработки были даны рекомендации о необходимости, перевода .замораживающих скважин- на пассивный режим работы, что .позволило .предотвратить-возможную аварийную ситуацию. Правильность -;' принятого • решения подтверждалась увеличением моидодти и интенсивности . акустических сигналов.,, -которая, после., изменения .режима замораживания постепенно. затухала со' временем^ - .Эта свидетельствовало - о торможении процесса развития /трещин в' бетонной крепи в результате- изменений .режима ■заморажйв^ния., .Аналогичные результаты .' 'были получены" по .измерению деформаций. - Рост де-'' формаций в крепи, транспортной штольни прекратился только ; пЬс'лё'' --.перевода скважин подачи хдадонослгеля в....пассивный ре- ■. ким.': ;1Ьйледующей.' Цализ показал;Vчто причиной .•резкого -увели-:шния. нагрузок...й - трёвднооб.разов'ания 'в кре.Пй являлся рост'; напряжений от. набухания окружающие выработку глин стеиовско-го горизонта, карс^терйзуюдахся' большим; .содержанием монтмо-риллонйта, и 'замороженного, водонасыщеного. грунта. Эго также .подтв'-'радиись ■ обследованием: характера; ,'разрушения^ Сетона

Арочно-бетонная крепь (АБК)

расположение ' /-;-

Рис: 2 Связь деформационных и акустических измерений между арками крепи. . "'.''•

Второй экспериментальный участокУНК,. где выполнялись натурные измерения методами'волновой диагностики с регистра- • цией сигналов' акустической эмиссии И их компьютерная обработка, был расположён на основном кольце тоннеля у ствола Н 1013. Анализ' результатов натурных измерений показал, ' что процесс деформации и повреждения тюбингов в Еиде трещин' связан' также с наб^хашшМ'.водонасыще.ка.стешевеких..глин. По материалам натурных.измерений ( акустическая . диагностика и измерения конвергенции - выработки) - состояния тюбинговой: обделки" были даны практические "рекомендации йо производству 'нагнетания цементного раствора за обделку на "этом-участке с гидроразрывом прибавлении "0,1 ,Ша. ■ После проведенных работ был повторён, акустический контроль и одновременные измерения

деформаций в нескольких сечениях тоннеля, . которые подтверди* ли правильность этих рекомендаций. \ , ,

При проходае ; участка СШ1-4 в компьютерном'банке информации ужеУ была наюдоена . достаточная статистика, чтобы ■ использовать алгоритм,' распознавания, образов для. многрйара-метрического контроля состояния, крепи' и; построена' обучающая выборка для проведения и далдавшйУклассифиКадаи данных натурных измерений. . Новые результаты измерений на пройденном ,р набрызгбётонным креплением участке указывают- вцелом наело. койное ' поведение, горной .порода .с' предсказуемым прекращением подвижек. Такой ке;-результат бкл. полуад при; анализе резуль- . татов ультразйуковых издареёцй; ,, Путем многопараметрической диагностики; бшго установлено, лто данные натурных измерений,

; "йМйда^г* в. область ■ параметрического -пространсгва,: границы которого. соответству- :

.от нагр^ке -.ад лМз/п^ешй^Й ¿0-33^ от ;разруийюаей.;

:ПаражлелЬно с изшре^М вднверг^нции, и деформаций в отдельных; точках контура набрызгбетоьной крейи/бЫйи йроведе-

эмйссйк? (АЗ) .

да мере стабилизации давления ка крепь. Спектров Сигналов АЭ ' с . характерй^ .^лайей^ /Предвещающими значи-

тельное- возрастание -'давления. крепь^:-.' зарегистриро-

! гать1® .з^лос^ Я У ".-г; V: ■ 'У*'; .'Я 4

- .В данном..-^случае.' ." йатуркыв У измерения и использованные' волновой. диагностики " подтве^даци хорошее качество ^иабрнзгбётони^мвания на -атом участке работ.'. '•''••' '•••.-'•' - •• - ' -' • - - - -V.' • -;- " - :■'. -'.'■ - -V; V"

- - "• ■■;'''. 'Основные результаты и выводи •

¿:; КЬмплексной ./иС1ю льзоидие.'зд^ натур-

ных

югерной ' обработй результатов измерений поаюляет': организо- ' ьать 1«шитори№.:на1^ состояния; крепи

. тонйвади ^с^ча^шй'дара^р

йространственного и врейбйного изменения*'' многих : факторов, влияющих на нелинейные пеля деформаций- и напря;рйний, : : обра' 'бот'ку;данцы£^ Натурных.-исп^^ выполнять - пу-

. - 21 -

тем многопараметрического анализа натурных измерений. .

2. По результатам исследованийразработаны методы аппаратурной диагностики для распознавания качественно различных стадий' развития туещин, соответствующие определенным уровням относительной. потери прочности.

3. Методами- нелинейной волновой диагностики установлена связь между относительным уровнем потери прочности и соот-ветствувдми этому'уровню не линейными, искажениямй в спектрах сигналов,' распространяющихся в поврежденной конструкций тоннельной крепи, .подтвержденная измерениями акустической эыис-

. СИИ. •'._■,' .'■ ; -

4. Впервые в- отечественной, практике тоннелестроения .создан .'и. успешно, применен в произЕОдствённых; условиях-измерительно - вычислительный-комплекс для автоматизации натур. них' измерений и их компьютерной обработки- на базе серийной

аппаратуры и ПЭВМ.-'. . '•'. ,

■5. Разработанные ^ методы .и аппаратурный комплекс имели практическое внедрение при выполнении работ . по. диагностике

■ кольцевого тоннеля и других подземных сооружений ускорительного комплекса УНК в.г. Протвино, • а »гайке-.других объектах• траспортного"строительства.- ;

- 6, Разработанная методика ц реализующие- ее., технические средства могут „быть использованы как самостоятельно, так. п в ' комплексе с .традиционными методами. контроля .за состоянием конструкций в тоннельных выработках," повывая достоверность; полученных результатов, ' а такте в оперативной диагностике

• повреждений и' организации ¿югаггорцнга дадйёшщх н наземных объектов различного назначения в' процессе строительства- и .

■ эксплуатации. ' • ' . -..■ - .,.

.'. Основные положения диссертации опубликованы в следующих печатных работах: .,: : •.••'.. • , .'

' 1. Робсман В. А.. » " Степанян' Е Э.;.'• Еикогосян Г. &, Колесников А;' В. й. Способ контроля" .стадий разрушения изделия И границ между.нами",' А.С. 1472817, . М. , Йялётейь' "Открытия и изобретения" N 14, "1-989. • '.--. . с •'.".-. '.',"/''..*

■ ;'; 2. РобсманВ. А., Колеснйкор А. В. . " '.Способ контроля ста--

• дий разрушения конструкций",. А. С, -1472318, М., - Бюллетень.

Открытия, я. изойретекия- • К.11989.

-223. Робсиан ЕА., Звягинцев А. Е, Колесников А. В,, Оль-хин С.Е V Способ контроля стадий трединообразования в конструкциях", A.C. 1478816.

4. Робсман ЕА., Звягинцев А. Е, Степанян ЕЭ., Колесников А. Е, ;Ольхин С. Е "Способ контроля границ между стадвдми разрушения материала", A.C. 1481669, Ы., Бюллетень "Открытия и изобретения" И 19, 1989.

5. Вознесенский A.C., ,Колесников А.В. "Иногопараметро-вый контроль в задачах классификации напряхенного состояния горных пород", Фрунзе, IX Всесоюзная•конференция по механике Горных пород, 1989г,

6. ВозЕзсенскиЗ -A.C., Колесников А.Е, Беспалый Г.Е "Улучшение классификации напряхенного состояния горных пород за счзт использования двух параметров контроля", Веб. "Исследования физически^ процессов горного производства", iL, КГЙ, 1989г.