ПРИМЕНЕНИЕ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ В ГЕОЛОГИЧЕСКОМ МОНИТОРИНГЕ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ

МАНЬКО А.В.
Доцент кафедры инженерной геологии и геоэкологии МГСУ, канд. техн. наук
ПОТАПОВ А.Д.
Заведующий кафедрой инженерной геологии и геоэкологии МГСУ, профессор, д-р техн. наук
МАНЬКО Б.В.
Инженер кафедры инженерной геологии и геоэкологии МГСУ
ПОТАПОВ И.А.
Инженер кафедры инженерной геологии и геоэкологии МГСУ

    Важнейшим фактором, который необходимо учитывать при освоении подземного пространства, является влияние на окружающую среду подземных сооружений в процессе их строительства и эксплуатации, когда могут существенно меняться природное напряженно-деформированное состояние породного массива и присущие ему инженерно-геологические и гидрогеологические условия. Вследствие этих изменений возможна активизация опасных инженерно-геологических процессов (карстовых, суффозионных, оползневых и др.). Значительным осложняющим фактором при этом является существенное изменение геоэкологической обстановки.
    Многофакторность воздействия подземного сооружения на окружающую среду и соответствующая многоаспектная реакция среды требуют наличия постоянного геологического мониторинга подземного пространства на всех стадиях жизненного цикла данного сооружения. При этом надо отметить объективную сложность освоения подземного пространства — разрозненность и неопределенность геологической информации, сложность определения зон влияния проектируемого сооружения на вмещающий массив и др.
    Весь геологический мониторинг делится на 4-5 этапов (см. Этапы геологического мониторинга). Отметим, что предлагаемые авторами первый и второй этапы мониторинга относятся к природной системе, а третий и четвертый — к литотехнической системе, т.е. к разным объектам. Данные первого и второго этапов могут использоваться лишь для обоснования и создания будущей системы мониторинга подземного сооружения.
    Исследования, проводимые на всех этапах мониторинга, дают обширный материал для базы данных, которая используется или может использоваться в дальнейшем. В процессе строительства подземного сооружения происходит пополнение базы данных геологической информацией, которая может отличаться от исходной. В таком случае следует выполнить дополнительно необходимые инженерно-геологические изыскания и провести новые лабораторные исследования по выявлению физико-механических характеристик полученных образцов горных пород. На рис. 1 предложена схема структуры мониторинга подземного сооружения (геологического, геотехнического и геомеханического).     


Информационное обеспечение мониторинга
    Важнейшим элементом геологического мониторинга является его информационное обеспечение, в частности использование технологий ГИС (геоинформационных систем). В выбранной точке интересующего нас места мы имеем возможность сложить «слои» информации, полученной посредством натурных исследований или прогнозирования. (Принцип совмещения и наложения пространственных данных одним из первых удачно реализовал французский картограф Луи-Александр Бертье в XVIII в. Он использовал прозрачные слои, накладываемые на базовую карту, для показа перемещений войск в сражении под Йорктауном.)

    Вся информация о наблюдаемом подземном пространстве (геометрические размеры сооружения и отдельных его элементов, глубина заложения сооружения, данные по инженерно-геологическим и геоэкологическим изысканиям, результаты численного моделирования и т.д.) собирается в один банк данных ГИС. При этом имеется ГИС-СУБД (система управления базами данных геоинформационной системы) — самостоятельная система, предназначенная для обеспечения оперативной работы со сложноорганизованными базами данных.
    Хранение всех данных по строящемуся объекту в единой базе обладает рядом преимуществ, поскольку позволяет просматривать всю информацию по наблюдаемому сооружению и вмещающему его массиву комплексно, внося при необходимости изменения в информацию. В качестве примера на рис. 2 представлена отображаемая в ГИС структура фрагмента массива скальных пород. Слой с топографическими данными строится по данным географических карт, аэро- и космофотосъемок.
    Слои с геологическими данными строятся по данным геологических карт, инженерно-геологических изысканий и т.д. В проекте ГИС скважины даются в виде отдельного слоя, представляющего собой цифровую карту; при этом координаты самих скважин, как и результаты геофизических или геологических исследований, хранятся во внешних базах данных.
    Корреляция скважин производится с учетом рельефа местности, представленного в виде отдельного слоя изолиний (рис. 3). Совокупность литологических колонок отображается с учетом пространственной привязки скважин, т.е. литологические колонки изображаются на пропорциональном (относительно географического положения) расстоянии друг от друга. При этом можно изменять размеры отображаемой ширины колонок. С каждым структурным элементом породного массива сопоставляется разнообразная геологическая информация. Вывод на экран основных данных по объекту позволяет быстро ориентироваться в различных оттенках стратиграфической закраски пластов.
    При увязке структурных элементов породного массива (например, геологических пластов) используются интерполяционные методы, в частности сплайн-интерполяция, а также учитывается рельеф (изгиб или обрезка пласта по рельефу). Сопровождение разреза необходимой информацией производится автоматически, при этом данные разреза повторяют данные выбранных пластов («стратиграфия» и «литология»). Для пользователя только ставится задача определения последовательности прохода пласта между скважинами (маркировка пластов), а система отслеживает корректность выбора последовательности пластов (взаимное соответствие стратиграфии и литологии). При  автоматическом методе выполняется увязка всех геологических пластов и всех литологических колонок.

Возможно пошаговое выполнение построения с коррекцией параметров на каждом шаге. В этом методе используются алгоритмы, основанные на последовательной увязке пластов с анализом возможных допустимых вариантов и выбором оптимального. Автоматически реализуется выклинивание пластов и заполняются необходимые для разреза данные. После построения серии геологических разрезов, проходящих вблизи виртуальной (проектируемой) скважины, возможно определение ее по литологическим и стратиграфическим параметрам. В каждом разрезе оценивается спроецированная виртуальная скважина и производится анализ всех вариантов.
    После окончательного отображения всей географической и геологической информации в ГИС создается система геологического мониторинга рассматриваемой области (рис. 4).

    На основе анализа результатов трехмерного моделирования напряженно-деформированного состояния системы «сооружение — породный массив» для определения мест установки исследовательской аппаратуры в пределах расчетного фрагмента выделяются области 3 категорий, обозначаемые как «воздействия нет», «воздействие минимально» и «воздействие максимально» (рис. 5). Те области массива, где влияние сооружения на окружающий массив отсутствует, относятся к категории «воздействия нет» и из системы мониторинга исключаются. Области, в которых перемещения и напряжения в массиве близки к нулевым значениям, относятся к категории «воздействие минимально». К категории «воздействие максимально» относятся те области массива, где напряженно-деформированное состояние массива составляет существенную для работы подземного сооружения величину. Такие области массива делятся на две подобласти. В первой на основании анализа ее математического моделирования определяются точки, в которых необходимо размещение исследовательской аппаратуры для проведения мониторинга. Во второй подобласти намечаются «законсервированные» точки наблюдения в зонах, где возможно увеличение напряжений и перемещений, и в них по мере необходимости устанавливается исследовательская аппаратура.
    Как уже отмечалось выше, в процессе строительства подземного сооружения происходит пополнение базы данных геологической информацией, которая может отличаться от исходной. В этом случае следует выполнить дополнительный комплекс инженерно-геологических изысканий и провести, используя уточненную информацию, повторное численное моделирование взаимодействия сооружения с породным массивом, а полученные в результате расчета значения перемещений и напряжений снова занести в базу данных ГИС. На основе анализа этих данных, если это необходимо, следует скорректировать установку исследовательской аппаратуры, а если потребуется, установить дополнительную аппаратуру в зарезервированных точках. В процессе освоения подземного пространства подобная операция повторяется многократно, позволяя применять наиболее оптимальные с точки зрения геоэкологии технологические решения, обеспечивающие безопасную работу подземного сооружения на весь срок его существования.

Что можно построить без геодезии?...
Сколько это простоит без геологии?...
И как это будет выглядеть без проектирования?...

керамическая плитка, как плитка шоколада,
быть может на зуб не вкусна, но аппетитна так же.
погладь ее, прижмись щекой, замри на ней в истоме!
ну а вот как и выбрать что, спроси об этом в "Трое".