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

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА .' . (НИИТО ■,

На правах рукописи

Колесников Алексей- Владимирович УДК 624.19^058:681.32

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 соискание ученой- степени кандидата технических, нау* •

Москва

Работа выполнена в Научно-исследовательском, институте транспортного строительства.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

академик Российской Академии транспорта Мэркин Валерий Евсеевич .

Научный консультант кандидат технических наук' '•'..' РобсманВадим Александрович

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

доктор технических наук Шкуратник Владимир Лазаревич

Ведущая организация: Специальное конотрукторско-технологическое бюро фирмы "Тоннель-метрострой"

Автореферат разослан 'У&" ¿Л&Л 1993 г.

Защита состоится 'ИР 1993г. в часов

на заседании специализированного совета Д. 133.01.01 при Научно-исследовательском . институте транспортного строительства. - . ...

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИТС.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах,' заверенные печатью организации, просим направлять в адрес специализированного совета: 129320, Мэсква,'ул. Кольская, д; 1.

Ученый секретарь специализированного совета,. к. т. н. Ж- А. Петрова

.- 3 - .

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТ1Ш. РАБОТЫ

■ Актуальность работы. Эффективность строительства тонне-• лей и метрополитенов определяется, прежде всего, выбором соответствующих инженерно-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 расчетно-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 состояния системы "крепь-грунт" на . различных стадиях строительства, представляется возможным .экспериментальным путем оперативно оценивать изменение устойчивости выработки, и свойств окружающего грунтового массива, сохранность элементов щюллвит. Это, в свое очередь,' позволяет наздачать нжбохгв экономичные для данных условия параметры конструкция, шпромроватъ качество и обеспечивать безопасность работ, иредотврашдть аварийные ситуации.

Используемые.в / настоящее время методы натурных измере- -ний ( деформаций, конвергенции выработка, давления, размеров' и зон- расположения трещин, пустот за обделкой" и т. д.) не эбеспечивают в полном объеме, тем .более в автоматическом ра-ише, мониторинга за ^напряженным состоянием системы 'крепь-грунт", в связи с чем задача.создания подобного рода лониторкнга является весьма актуальной.

Цель работы. Исходя из- результатов анализа развития и «¡пользования современных методов "технологического контроля, ) тоннелестроении целью диссертационной работы является соз-иние метода диагностики повреждений конструкций крепления щрабрток при проведении натурных измерений непосредственна I процессе строительства тоннеля с помощью акустически* ме-■одов-и аппаратуры,. сопряженной с ЗВЧ.;

- Основная идея работы состоит в накоплении.и норректи-овке результатов натурных измерении о состоянии системы крепь-грунт" в виде компьютерного гтнкл данных, н оцчш:1:

стадий развития повреждений в.крепи как относительной'лотери прочности путем многопараметрического анализа нелинейных закономерностей распространения.волн.и- колебаний в конструкции деформированной крепи. •

• ■ Мьтоды исследований. В' .' проведенных . исследованиях ■ использовались акустические и тензометрические измерения'де-формацли и размеров повреждений в конструкции крепи; Регистрация л обработка, данных натурных Измерений осуществлялась, в автоматическом режиме; на ЭВМ'."Ш-ИО" иДВМ'РС/АТ. Др.анализа . результатов проведенных. > физических, экспериментов использрвались 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! .V ■•'.■••'.

Научную новизну работы составляют: • . способы контроля напряженно-дефоршрованного . состояния крепи .выработки тоннеля, с использованием автоматизиро-: ванных натурных измерений параметров.нелинейного распростра-■ нения волн й - колебаний в конструкции 'крепи; • : -. структурные блоки -разработанного , измерительно-вычислительного комплекса и область его наиболее эффективного применения ¿ля контроля состояния арочно-бетонцой крепи при .искусственном Замораживании грунтового-массива, ' наб'рызгбе-. тонной крепи и тюбинговой обделки при разбухании водонасыще-ного глинистого массива;. '.-';_'.

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

•г экспериментально- установленная.' связь между стадиями роста тредан в крепи и параметрами вероятностных. законов распределения энергии в. сигналах- акустической. диагностики;

- алгоритмы доставления компьютерногобанка '■ данных натурных измерений, позволяющие накапливать и корректировать'

.оперативную инфбр'мацию.натурных измерений- для распознавания повреждений4 в - крепи .выработки, и -предупреждения /возможных 'аварийных ситуаций;.''' '..;•• • '.-;••.•/'.':'■

Достоверность- полученных, 'результатов' 'подтверждается1 со-

' 5 "

поставление'м данных натурных и: лабораторных физических экспериментов, - выполненных с использованием- акустических, тен-■' зометрических и. других методов измерений {расхождение'не более .13-22%). - V ''. .. ..'•'•. Практическая значимость работы:. .. . 1. Разработан опытный, образец измерйтельно-цычислитель-, ного комплекса1 для. многопараметрических'Натурных измерений с целью.диагностики, состояния 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. V

3. -Внедрения разработанных методов •. и технических средств - '.для контроля повреждений конструкций крепления тонне ль них выработок' показали', преимущество в, •• трудозатратах по сравнению 'с- существующими методами диагностики, позволили повысить оперативность,.-".достоверность "и '.- информативность • акустической. диагностики в транспортных тоннелях. .. . . • ■'"•".• Реализация,"' Результаты- исследвваний использовались' при . проведении: технологическог,о , контроля на ; различных . этапах строительства, следуюгщц объектов:: . "'• -'■.'

-..-. кольцевого' тоннеля и других подземных 'сооружений ускорителя элемонтгфнмх частиц (УНК, < г. Протвино/ Московская ' .область)! '■■_''.'. ' . •'.'■ .'•■' ".'/■'

'. - перегонных л'оннелеП 'ЕреваНекого. метрополитена;.'' . ■ - жглезнйдороулых тоткжй- на магистрали. "-.Иджеван-Раздан" V Армении; . . ',.:. > ■''''. :'' "... ■''.•';'.V. / .■■•• ••' . Данная-'методика'Позволила-дать:рекомендаций, по усиле.нйю временной•крепи и-изменению технологии проходки"на указанных. . объектах- без аварийных последствий, ; . ' .' .. •'

•.: ■ - Реальный' экономический. эЭДект от 'внедрения акустичееко- , го контроля толысо.е учетсш' экономии материальных й/Грудовнх ресурсов • составил' :68.5руб на п. мет р. .трисси(вце нах 1986 т.,1).;' ' Раючетн1да->крйокй^ .¿дному/^йа. г.йб-Укгов'

' внедрения составил 527 Тыс. - руб. (в цена*'-1986 л): ■ .

■' Апробация: основные: пи доения, радели и диссертнцЯон-' ная . работа; в. Целом, далодани,. на. лекции ./-ЧЙмю-лй к' мотроцйли-' тени" Ученого Ош^та ШМТС (1390,. .ШЗ гг. ), • на Еоесошней ]Я ко11ференЦии т'ме'хЙИКе горных пород (Иирги:н!й,. -Г-Л^уна?/ .

1989г.}; на научном."семинаре. АН СССР "Средства измерений и испытаний для обеспечения сейсмостойкости сооружений" (Армения,' г.Ереван, -Май 1990 г.). ■.

- Публикации.- Материалы, диссертации отражены в 6 опубликованных работах и 7 научно-ксследоватсльских отчетах.

Структура и объем ''работы. Представленная диссертационная работа состоит.из введения, пяти глав,- выводов и основных результатов; содержит стр. машинописного текста,- в том числе '4? рисунков, и список литературы' из 17В наименований и 1 приложения. -'. , '■ ■•; '■.- , ---. Г .

■Диссертационная .работа выполнена по отраслевой программе каучно-.исследовател.ьских работ,, .' связанных с , разработкой и созданием автоматизированной мобильной системы предупреждения аварийных состояний подземных конструкций И сооружений и разработкой оперативных методов контроля- надежности крепй и состояния массива, прилегаюкего к выработке тоннеля.'

. ' ' . СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ .

• ■ В введении .обоснована актуальность темы, сформулирована ее цель, .оточена научная новизна и практическая значимость.

.■В'первой' главе.- на основе отечественного и зарубежного опыта проведен сопоставительный анализ существующих методов . диагностики ^ ^повреждений крепи, и показано место виброакустй-ческих методов диагностики^- . Сформулированы задачи диссертационной работы а выбраны методы исследований.

Известно, что успешное проведение горнопроходческих работ при строительстве и дальнейшая эксплуатация тоннелей в основном определяются детальностью и качеством проведенных инженерно-геологических изысканий. К настоящему времени известны различные 'методы 'изучения напряженного состояния горного массива' и системы "крепь-грунт", по которым суд|т о ' степени повре'жденностй-крепи выработки. • В систематизирован--, ком виде .представлены используете в .подземном строительстве методы диагностики, .показаны.их преимущества и недостатки. ■ Расчетам крепей с учетом-специфики грунта были посвящены работы И.-Е - Баклашёва, К Г. .Бёрезанцева, Б. А, Картозии, Д.-И. -Колина, А. -Лабасса,. Ю. М. 'Лнбермана, ,В.'Е. . Меркина, К. В.

- 7 -

Руппенейта/ П. Д. Степанова, Р. Феннера, и др.

Расчет крепи, использующий расчетно -' аналитические методы, выполнялся 111.1 Архангельским, ЕС. Булычевым, Л. А. Воробьевым, В. А. Гарбером, А. С.' Городецким, А. Ф. Ревуюнко, К. В. Руппенейтом, ЕЕ Фотиевой,. В. В. Чеботаевым, ЕЕ ílta-пошниковьм,- В. И. Шэйниным, Е. 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 не^-посредственно в процессе строительства тоннеля и позволяющих корректировать принятые проектные решений; Кроме того,' натурные измерения' являются наиболее '.эффективным-Средством диагностики состояния системы, "крепь-грунт" для -количественной . характеристики.повреаденности крепи и предупреждения ее разрушения.- Это должно' выполняться путем измерения множества, параметров и различными'методами'фшических измерений,.

• ' Большой вклад в'разработку-. и ' внедрение 1 этих методов внесли .В ' нашей страНё М. С-. Анцыфе'роВ, И. Е БаКлашов/ В. И. Борш,-Ко'мпониец,- А. С.,'Вознесенский-, Й. Я До'рман, Б. А. Кар-тозия; А. А.Козырев, ' М. В. Курленя, ,'И. М. Лавров,. Г. А. ьирков, В. Е.. .Маркин,- В. И. Панин, . В. В, Ржевский, : А. Ф.-Ревуженко,' В. А. Робсман, И. А-. Турчанинов, - П. Е- .Т.ютюник,. В. JL ■ Шкуратшж, В,-С.Ямдаоа и др. За рубежом.-. Е.Лиман,- ЕХаст; И..Хироматцу, О. Вайс1,. Г. Араунер, Г. Хйлфвих и др. ....

' В последнее время-появилось много различных-■ теоретических и экспериментальных, работ, связанных с pacnpocTpaiié-нием нелинейных случайных-воли й йх.вза'ймойёйотвием в-7 нелинейной среде,'' какой - является- ■ такай' - сложная.' 'сис.тема .как '."'кре.пь-грунт". Данная проблема' ранее рассматривались.''^.-'работах О; ЕГурбатова, Д. Н. Малахова,.^. А'. Нау'гольнмХ; Л А.- Островского., -В. А. Робе манн, о, В. Руденкй, "А. И. Сайчева, А.М, Сутана и других ученых. • . •...-.-'" -.- . '\ * . !.'-;Йаряду' с использованием ¿Ьйреме-нннк-'средств "автоматики • й прйборюв контроОм' -.в одно»irjк')'хал<i¿-oKH5Í.t'- ст'роотеЛьИи-монтажных _и - других' работах, ,в' с'оы'-рвК'НствогцНИ.Й' iV*/i wtór.íM СТр(Л1Те-ЛЬСТИа '• ■ftKUlCÍiaprMMX 'TOtllb'JteA. lft.VT О'ОЛп-е,, йЙ1АЗК'Лг ['ipti

. --в. - . .

менение находит компьютерная техника, . .современные, средства -' связи, новая.контрольно-измерительная аппаратура. . Поэтому повышение- скорости- проходки • в- равной .мере зависит как от достоверности и полноты 'информации, полученной в результате • инаднерно теологических изысканий," • так и от информации,-' по- • лучаемой в результате .натурного контроля, выполняемого в ходе строительства тоннеля. К такой информации относятся данные о состоянии массива; пород, крепи' выработки, изменений , инженерно-геологических условий-, по мере.продвижения.вдоль трассы строительства тоннеля и т. п.. ' , ; , ,•

' Задачи- технологического контроля .в тоннелестроении Можно представить'в виде'.следующих четырех групп:! ':

- > контроль,- структуры, \ свойств .изменений .состояний массива горных пород по мере, проходки трассы то.ннеля; ■'.-

', . - контроль взаимодействия .крепи выработки тоннеля и контактирующего с ней массива/горных пород; ;

■ ,- - контроль продукции-X и ,технологических процессов при , производстве гормогпроходческих, строительно-монтажных, специальных и других работах; - . ;•-..'': ' ' " : - контроль надежности работы машин, механизмов и другого оборудования..'-.. , "•;.' .-', -.■...' ..-■.-'.•■':'

Реализация задач ' аппаратурного контроля в. -условиях стрюятвльст'ва, подземных •'р<йр5тюдйй'.'явдается не только - акту- • альной, , но- и технически сложной проблемой. Действительно, , это позволяет, повысить:скорость проходки; качество -продукции, :обеспёчить технику безопасности и ряд других проблем -современного- тоннелестроения, -Однако, требует создания'новых ... измерительных средств, методов контроля, приборов,.специали--.' зированной аппаратуры и т'. д. В указанном перечне задач -конт-. роля большое внимание уделяется первым двум группам задач, представляющим самост9Ятельный. научный, и практический .'инте- -рес,: Это объясняется тем, что. при их реализации требуется проведение специальных натурных физических измерений, выполняемых - непосредственно в массиве горных пород, .в неподкреп-. ленной .выработке,- -.в строительных материалах 'и- конструкциях, -из которых выполнена крепь. ' ...-': . .

. Проведение такого'контроля, '-отражающего содержание пер-;■ вых .двух трупп,-'в; свой очередь, -'мо&ет-.включать: - .

. - диагностику срстояния;.учустков мзссща. вокруг-неподк-.

решенной выработки (кровли, лба забоя, целиков и др.) от проявлений горного давления и других геоданамических 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 водопонимания и устройства противофильтрационных завес на изменение нагрузки на крепь;

- контроль .качества процесса- набрызгбетонирования 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, смещений, и характеристик горных пород связаны с серьезными., трудностями в сЕоей 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, В. И. Панин, ЕС.Ямщиков, МС.Анцыферов и др.). акустические методы измерения . напряженю-дёформированкого состояния пород.в мл с с иве по своему аппаратурному обеспечению занимают ведущее место среди других методов геофизических, измерений. . По материалам выполненного анализа сущесруедих методов натурной диагностики повреждений-в крепи' выработки и технических средств автоматизации, натурных измерения были сформулированы следующие задачи диссертационной работы:-

•1. Определение,' на 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. и компьютерных экспериментов с

- " Ю 7 -

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

, 4/ Проведение 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 строящихся тоннелях.'я Метрополитенах.

■ Разработанная методика, проведенные ..физические ■ и компьютерные- эксперименты, построенные на комплексном использова-. нйи сопряженной с ЭВМ-различной, по назначению .аппаратуры для . физических измерений,' 'выполнены . под -научным руководством к. т.н. Гобсмана В.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 ' пу|ем!комплексного использования средств измерения и вычислительной техники в виде единого ■ измерительно - вычислительного , .комплекса-'(ИВК) 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' поврежденноети конструкций-крепи выработки достаточно'гибкая, - что позволяет, расширить класс решаемых задач и объектов, контроля. ...

Используемые' "в настоящее , время для' 'обработки данных акустической диагностики серийные приборы и аппаратура позволяют 'фиксировать.лишь некоторые '-. параметры Ьнгнадбв, Су- , ществущзя отечественная . шшарату'ра .'-не...позволяет детально.' фикс1«ров.чть-.(1орму; сигналов диагностик^.' ^Рогйрт'рония- &. каких-либо .отлили«'« пэрамет1.мт.в -енг-нгиюв ,. >!.'.. -(-П1редел?ние их _

- 11 ..

функциональных связей с параметрами'напряженно - деформированного состояния грунты, и обделки, размерами дефектов не обеспечивает получение надежных признаков для достоверного контроля состояния тоннельной конструкции, так как корреляционные зависимости'деформировано^среды строятся, исходя из, предположений линейной теории, и слабо учитывают .степень случайного расположения:внутренних повреждений, неоднородность и другие факторы. Это можно учесть при анализе распространения волн и колебаний в-нелинейно - деформированной поврежденной структуре конструкции'крепи. Предлагаемая методика автоматизации натурных измерений позволяет проводить многоканальную регистрацию данных натурных измерений- и их последующий многопараметрический анализ: ' ■

Методика проведения натурных измерений для оценки состояния крепи. выработки й-постоянной обделки тоннеля-представляется в виде'последовательности операций с использовани-.ем приборов дефектоскопии, акустической-эмиссии й других физических измерений,, .связанных ! с анализом . закономерностей распространения в материале крепи» регулярных волн или импульсов в звуковом и ультразвуковом диапазонах.

Основываясь на теоретических положениях- механики-разрушения, ' -стадий процесса трещинообразования представляются в виде двух последовательных этапов: -докрит'иЦеского и аакрити-ческого роста. • Первая' связана, в основном, с за{южденнем и .медленным ростом локальных микро- и. макро'т рещин' вторая'-характеризует последующее, увеличение не. только ■ их линейнйх размеров, но и такие процессы взаимодействия, как ветвление, объединение :и переход:' я лавинную стадий-' катастрофического ■ разрушения конструкции.- .Эксперименты, опйсанные. ниже, пока^ зааи, • что'развитие процесса разрушения всегда носйт- скачкообразный. характер. .При этом..скорость рйста трещин и, их. концентрация изменяется в достаточно' .широких пределах ■ . имеет случайный, характер-распределения е пространстве и времени.в' результате увеличения 'нелинейных' деформаций. ■_'' Разработанная методика реализована ¡¡о только..в вид<^ экспериментального образца измерительно вычислительного' кЬ*мплеКЬа,' цц. и специального Программного обеспечения,. - ^¡иизуидаго. спектральный и вероятностные''методы анализа'данных натурных ¡^мерений ■ § Й!ЙХЬЁ!1 (работы.,изложи!г [л/зул1,тати приь(. Д*?нни:<

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 ' коьтроля. Для этого вначале теоретически, а потом экспериментально исследовались пути увеличения точности метода. Нагружение . образцов пород осуществлялось на прессе Р-20. ' На образцы наклеивались четыре тензодатчика : два продольных и два поперечных го отношению к направлению нагруЯения. Сигнал с тензодатчиков подавался на тензометри-ческую-аппаратуру О-АНЧ-21, а затем - на ЭВМ 1Ц-110, где он через программируемые фильтры. 'шшшх частот, подавался на вход 12-разрядного аналого-цифрового преобразователя. На один.из входов А1Ш подавался также сигнал с датчика нагрузки, установленного на прессе. Для контроля АЭ использовалась. аппаратура АФ-15, Полоса пропускания частот 20кГц- 2 МГц. Выход аппаратуры А<£- 15 подключало я к цифропечатающему устройству Щ-68000К, где. на ленте регистрировалась активность АЭ, интенсивность АЭ и амплитуда в условных единицах от 0 до 99 (0-5 Вольт).. Работа всей установки (момент регистрации показаний) синхронизировалась сигналами времязадающего блока в АН 5, причем время между соседними Отсчетами устанавливалось равным 1 сек. Ладные о нагрузке и деформациях через АЦП по синхросигналу вводились в ЭВМ и записывались иа. магнитную ленту, Управление нагружеяием провеса осуществлялось вручную. В^ремя нагружения от начала до .разрушения образца - 3-15 мин. ;. :

Для оценки ошибокпри 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 ниже 90%, принято за область устойчивого состояния. Параметрами классификации были выбраны величины продольных относительных деформаций образцов и активность акустической эмиссий.

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

- увеличении перекрытия плотностей веродтностей различных классов;

- уменьшении коэффициента корреляции параметров контроля;

. - уменьшении абсолютного значения коэффициента корреляции погрешностей. '

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

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

: Первоначально эксперименты по• исследованию параметров . акустической эмиссии проводились на специализированной мини-ЭВМ IN-110, "позже-был создан 16-тй канальный измерительно-вычислительный комплекс (КВК), подключаемый через'адаптер ' к персональному компьютеру типа IBM PC/AT. •

При -отладочно-монтажных работах было' опробовано несколько вариантов компоновки машин, для механических испытаний, измерительных,, регистрирующих устройств, каналов связи. между ними в ЭВМ. ... Оптимальный вариант для испытания образцов бетона и горных пород был достигнут-при использовании универсальной испытательной машины, типа УГС!-50/50 с -йрймене-нием специализированной." ЭВМ IfMlO, акустйко-эмиссИонного прибора типа 'АФ-15,.' двухкоо'рдинэтного саюписца ЛКД4-О03, семиканального магнитографа ■ГО--67.,. ■" ' '

'.При лабораторных исследовайия'х-процесса, хрупкого разру-,

шения. были, проведены испытания на статическую нагруаку 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

[ Уплотнение материал^]

.. .' | .• Образование иикро-~й цаьротрещин | ^ .

| ¡Стадия когерентного ваоньшдейстр'.^я] | -1 |Стадия аварийного разрушения]- ' I

Рис. 1 Стадии разрушении кб'нструкцйи тоннельной крепи

крепи и., горных, пород'.можно представить как последователь-' ность следующих стадий трещинообразования( рис. 1).-'' На первой стадии' происходит уплотнение породы и закрытие существующих третцин. На "второй стадии образуются микро- .'и ткротрещщш, что является причиной "разуплотнения породы. На третьей стадии начинается активный рост трещин, - их ветвление и разрыхление породы с образованием магистральных трещин. Четвертую, заключительную стадию, -обычно называют Лавинной стадией внезапного разрушения. В качестве .анализируемых параметров была принята спектральная. йлотшсть! с игна лов.-акустической г эмиссии; и ее изменение в.зависимости от уровня наГружения образцов. В. качестве.; ' состояния

Конструкции крепи анализировались зависимости "скорость про-' дольных волн - напряжение" и "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-,■. связанных с анализом распространения- волн в режиме активной локации поврежденной 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-маиине 7FC-50/50 на образцах 5етона в форма-призм.с размерами 100x100x300 Ы Ш00-400).

Как показали проведенные эксперименты, на упругой стадия. деформации образцов в. распространении -волн никаких нели-¡ейных изменений -в частотном спектре не наблюдалось.' .С нача-юм развития неупругой, деформации в спектре сигнала . акусти-юскоА- локации, кроле основной гармоники-на частоте 60 кГц, гоявилпсь высокочастотные составляющие, • которые генерировать по мере роста'нагрузки (100, 120, 180 кГц). Нагрузка' овышалась ступенчато,, вплоть-до разрушения и выдерживалась а .каждой ступени-на время записи.сигналов..'. Измерения покрали, что-, по ■ мере роста, нагрузки амплитуда составляющих в пектре увеличивается по нелинейным законам. Такое -.изменение .'спектре свидетельствует q tomv что уровень неупругой.де-ормации-влияет на соответствующее Изменение в закономер-эсти распространения в. среде регулярного .акустического сигала. На разных уровнях неупругой' деформации по второму ка-глу измерений параллельно' был . зарегистрирован поток им-гльсов АЭ, ■ интенсивность' которого возрастала с ростом тре-га в образце. - Аналогичные данные были получены прианализе ■.кремента затухания. .'..■'.■..'.'■...■ ■. Эксперименты, проведенные в лабораторных -условиях, позлили обнаружить, что,'на! начальных стадиях' роста . деформа-[и,. когда нагрузка'на образец, не превышала 5-12% от разру-ющей, в спектрах-регулярной.волны . наблюдается генерация сокочастотных гармоник. -При' больших неупр'угих' деформациях, торые соответствовали .тагрузкам порядка 35-60/». от-'-разрушат . ей;. В;спектре регулярной еолны. наблюдаются.комбинационные

и независимые составляющее. При росте нагрузки до уровня порядка 70-75 % от разрушающей, в спектре наблюдается увеличение фоновой рудовой компоненты. При разрушающей нагрузке была зарегистрирована трансформация спектра в широкополосный шумовой. Следует подчеркнуть, что на перераспределение энергии между гармониками регулярное волны и расположение составлявших АЭ В.спектре оказывали влияние не только уровень нелинейной деформации, но также различия в структуре и физических свойствах материалов. Спектры прозвучивания разной степени аарушейности образцов показывают, что с увеличением степени ?рециноватости происходят смещение максимума спектральной плотности в сторону низких частот. Величина максимума при атом уменьшается, что говорит . об ухудшении . проходимости волн чзреа среду.

В 'четвертой главе работы 'изложены материалы проведенных компьютерных экспериментов с ватеыатической моделью распространения колебаний 8 лииейиой и нелинейной цепочке связанных сосредоточенных масс. Полученные результаты моделирования позволяет качострзнно:объяснить данные, полученные при , проведении физических экспериментов. Линейная модель цепочки сосредоточенных масс описывает колебания, возникающие при волновой диагностике упруго деформированной среда, от . источника с относительно небольшой ннтенсив'востью излучения. Вторая модель ртрагает распространение нелинейных колебаний в Нвупруго деформированной среде. . • - . ' '

. При компыотерных экспериментах,. позволяющих изучить характер» изменения колебаний между сопряженными блоками грунта, принималась одномерная цепочка сосредоточенных масс, моделирующих отдельные блоки, с вязкоупругими связями между ними. /Такая Модель в определенной стецени .отражает. картину прохождения упругих волн через .блочную.систему, и • позволяет' оценить' влияние ■ сил „ трения между-сопряженными блоками при распространении в них колебаний от упругих импульсов.

~ Результаты математического, моделирования показали, что - увеличением трения между блоками спектры их колебаний становятся вирокополосиыми. 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-

ке)- приводит к уменьшению'амплитуды, . смешению-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 к. т. н. В. А. Робсманом; была постррена'на предположении, что излучение, упругой волны, • возникающее на кончике'развивающейся трещины, аналогично поведению, трещияы как акустического резонатора при его-.импульсном возмущении;' Такая модель, в случае роста одной из двух связанных • 'трещин, .может" бь£гь представлена системой уравнений колебаний двух сосредоточенных масс с восстанавливающей силой, имеющей простейшую квадратичную нелинейность.'- 14одель. рассматривалась для объяснения-нелинейного эффекта нарастания, искажений в. спектрах.сигналов акустической эмиссии, ранее, обнаруженного экспериментально при ла-.. бораторных и. натурных измерениях. Это также нашло качественное ■ подтверждение', в результатах математического- моде'лирова-,

- В последующих компьютерных -экспериментах был проведен многопараметрический, анализ результатов, физических, измёре-'-ний,. "проведенных как в лабораторных;■ так'.и натурных услови-' . ях; для чего использовался один-из алгоритмов теорий-распознавания образов (кластерный анализ). Необходимость использо-' вания такого метода обработки' для,-анализа натурных, измерений ' диктуете^ большими трудностями аналитического описания•елож-' ных"волновых'процессов, "происходящих;в нелинейно..- деформированной среде и их св.Язй с прочностными-' и . деформационными параметрами;. Такие исследования' проводились'на примере испы-' тания серии образцов бетона; взятых из набрьвгбетонной крепи при-, .новоавстрййском-способе' проходки (.участок СПП14 УПК г. Протвино)."'Это дало 'воэмомо'сть . построить-' обучающую ста-'., тйстическую выборку для. проведения -многопараметрическо'й диагностики состояния других.'участков деформированной.набрызг-бетонной Крепи и показало.-преимущества этого метода. ' .- ■ -.' ' В пятой.главе -дается 'изложение некоторых-, результатов, практического : внедрения разраО'оташшх' методов мнотопарамет.-рической диагностики раз личных..конструкций крепления.- выработки в строящихся тоннелях,.'.Ссно'р.ное .содержание .этого раз- , дела работы.отраддаг.'ре&у ч'йатн.диагностики 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 ■ и изменений нагрузки на крепь .от разбухания . во-донасыщеных глин; ' ;

набрызгбетонной крепи.. Натурные'измерения1 в транспортной штольне ствола. N1012, проводились' длй предупреждения возможной аварийной ситуации, от-влияния'роста давления на-крепь в результате, длительного процесса искусственного намораживания водонасыщеного грунта (измерения деформаций - деформоме^ром ЦЮШСа, ультразвуковая диагностика .'--УК-14 с регистрацией сигналов на магнитографе НО-67 и регистрациягсигнаЛов акустической эмиссий-- прибором АФ^1Ь).. -Датчики '.акустической диагностики прикреплялись в , различных точках к'открытой' поверхности крепи специальной мастикой .(.рис. 2). . - .•'■'■■

V .По результатам натурных измерений и их, обработки были -даны рекомендаций 0 • необходимости, перевода замораживавших ■скважин- на пассивный ..режим работы, .что позволило предотвратить возможную аварийную" ситуацию. Правильность - принятого решения подтверждалась, увеличением мошно.сти и интенсивности, акустических сигналов,. -которая после, изменения режима-замораживания' постепенно, затухала со' временем..' -Это свидетельствовало о торможении процесса-развития .трещин в' бетонной крепи в результате-изменений .режима замораживания. .Аналогичные результаты." Выли получены" по .измерений' деформаций. Рост де-'' формаций в. крепи. транспортной штольни - прекратился только после перевода скважин.подачи хладоносителя в пассивный режим. ^следующий, анализ показал, .что причиной .-резкого увеличения. нагрузок,., й треаднообразования • в кропи являлся рост напряжений от. набухания, окружающих выработку, глин сташовско-го горизонта, „-.' хар^теризущихся'.большйи:,-.содержанием монтмориллонита, и йашроженного. водрнасы4зного; грунта. Это также „под№Зрвдишсь- -обследованием ' характера: 'разрушения, -бетона

Арочно-бетонная крепь (АБК)

расположение датчиков

зоо ткя

и е-2 ил/<

25 иг. пртележгс 1337г. усжлени

12СЗг. шормлшжзэп отага ■ тасготЛ репа

I

и е-2 а ^¿д

1537г.

Рис: 2 Связь деформационных и акустических измерений

:ежду-арками крепи. ■ '.•■.'

Второй экспериментальный участок УНК,. где выполнялись :'атурные. измерения методами'волновой диагностики с регистра- ■ лей сигналов' акустической эмиссии и их компьютерная обра-отка, был расположен на основном' кольце тоннеля у ствола N 013. Анализ' результатов ' натурных, измерений показал, ' что роцесс деформации и повреждения тюбингов в виде трещин связи-' также с набуханием-водонаскще ныхстепеёских- глин. По атериалам натурных измерений (-акустическая . диагностика и змерения конвергенции - выработки) - состояния тюбинговой'об-злки" были даны практические, рекомендации по производству згнетания цементного раствора за обделку на этом- участке с идроразрывом при .давлении 0,1- №а.- После проведенных работ ал повторён, акустический контроль и одновременные измерения

- -20 - .

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

При проходке участка СПП-4 в компьютерном банке информации ухе,, была накоплена . достаточная статистика,; чтобы использовать алгоритм, раслозяавания образов для многопара-метричйокого. контроля состояния крепи и построена' обучающая выборка для проведения и дальнейшей классификации данных Натурных измерений. Новые результаты измерений на пройденном с набрызгбетонным креплением участке указывают в целом на спо-. койное поведение, горной,породы с -предсказуемым прекращением подвижек. Такой же результат был получен при анализе результатов ультразвуковых измерений;., Путем многопараметрической диагностики было установлено, .что данные натурных измерений, выполненные на'заданном участке. крепи,^"ймшдаЬт'.' 'в облаРть • параметрического -яространства,.; границы которого. соответству- : ют нагрузке щ крепь, :не превшаюдеа 20-30% о? разрушющей.

:■ :Т1араллел£йо .Ь: измерейяш' кЬнвергещда. и . дефоршцвй/в отдельных; точках контура набрызгбетонной крепи были проведены измерения и обработка сигналов акустической эмиссии.' (,АЭ) . по ¿юре';'стабилизкций давления на крепь. Спектров Сигналов АЭ ' с характерйыми юлииеШшми иска^ниши,. предведашщми значительное йззрастание -давления. грунта ¿а крёПь,' -зарегистрировать не удалось.. • . - . ."'.л. В данном '¿случае :>прове^е|щые . натурные измерения и использованные двтОматйзированные методы волновой диагностики подтвердили хоройее качество набрызгбе'тонирования на этом участке работ. .... ' . - г ' -1 • - . : ■

.: -Основные результаты и-выводы . '

. 1:.' Комплексное .Использование, автрматизированных натурных испытаний апшратурными методаии . диагностики и компьютерной 'обработки результатов измерений позволяет '-ррганйзо-Шть • мониторйнг.;шпр^ состояния •' крепи.

Выработки • стаящегося тоннеля. у- Утатйвая случайный характер Пространственного -ивремённого - изменения' многих факторов, влияющих на-нелинейные, поля деформаций и напряжений^ обработку данных натурных испытаний целесообразно выполнять. пу-

- 21 -

тем многопараметрического анализа натурных.измерений.

2. По результатам-исследований-'разработаны методы аппаратурной диагностики для распознавать качест'вёпно различных стадий'развития туещин, соответствующие определенным уровням относительной, потери прочности.

3. Методами- нелинейной волновой диагностики установлена связь между относительным уровнем потерн прочности и соот-ветствувдми этому уровню нелинейными .искажениями в спектрах сигналов,' распространяющихся в поврежденной конструкции тоннельной крепи, .подтвержденная измерениями акустической эмис-

. СИИ. '..-." . :■".-.

• 4. Впервые в- отечественной- практике тоннелестроения .создан и; успешно, приманен в про иззо детве нныХ-условиях-измерительно - вычислительный-коютлекс для автоматизации- натурных ' измерений и их компьютерной обработки на базе серийной аппаратчи к ПЭВВЛ.-. .•:•'/.•', ..-' ..'._, '•.

• 5. Разработанные / метода. . и аппаратурный комплекс имели практическое внедрейке при выполнении работ . по диагностике

■ кольцевого, тоннеля и другие подземных сооружений ускорительного комплекса УНК в'.г.' Протвино, - а также .других объектах-траспортного строительства.'■ ;

.. 6, Разработанная кетодшо и реализухпзэ- ее . технические средства шгут.быть использованы как самостоятельно, так.п в ' комплексе- с .традкциошш'.и мэтодаш контроля .за-' состоянием конструкций в тоннельных выработках,'. .повышая достоверность; полученных результатов, ' а также в оперативной ■'' Диагностике '

• повреждений и" организации мониторинга подзёшцх и наземных объектов различного' назначения - в', процессе строительства- и .

• эксплуатации. '-. •.'.....

. '. Основйге положения диссертация' опубликованы в следующих печатных'работах: .,=' - . '

Ь .Робсман Е А; ,' Степаняя' В. Э.;. Кикогосян Г. Н», Ко-; •лесников А.'Е- ". Способ контроля ,стадий разрушения изделия и границ между .там", А. С. 1472817, И., Ёаллетень' "Открытия й изобретения"'N 14,-1:-939. .

•'; 2. РобсманЕ А., ■Колесников А. В.. " '.'Способ'контроля ста- дий' разрушенияу-онструккий";,. . А.С. -1472318, \М.;'•• Шдзтень. "Открытия, к изобретения"- Н 14, -1939.

3. Робсман Е А., Звягинцев А. Е, Колесников А. Е, Оль-хин С. Е " Способ контроля стадий трещинообразования в конструкциях", A.C. 1478815.

4. Робсман ЕА., Звягинцев А.IL, Степанян ЕЭ., Колесников А.Е, Олъхин С. Е "Способ контроля границ между стадиями разрушения материала", A.C. 1481669, М., Бшлетень "Открытия и изобретения" Н 19, 1939.

5. Вознесенский A.C., .Колесников A.B. "Многопараметро-вый контроль в задачах классификации напряженного состояния горных пород", Фрунзе, IX Всесоюзная конференция по механике горных пород, 1989г.

6. ВозкзсенсюШ -A.C., Колесников А.Е, Вес палый Г. Е * Улучшение классификации напряженного состояния горных пород за счет использования двух параметров контроля", Веб. "Исследования физических процессов горного производства",

«га, 1939г.