Badania jakości górotworu za pomocą metody sejsmicznej w budownictwie tunelowym.

Transkrypt

1 Zimowa Szkoła Mechaniki Górotworu : XXVII Zimowa Szkoła Mechaniki (2004) Badania jakości górotworu za pomocą metody sejsmicznej w budownictwie tunelowym. Strona: 205 Autorzy: ZENON PILECKI Streszczenie: Przedstawiono wykorzystanie metody sejsmicznej do rozwiązywania zagadnień geotechnicznych w projektowaniu i budowie tuneli komunikacyjnych. Omówiono podstawowe zadania metody sejsmicznej w rozpoznaniu warunków geologicznoinżynierskich górotworu. Podkreślono problematyką procesów fizycznych jakie zachodzą przy rozchodzeniu się fal sejsmicznych w ośrodkach spękanych i częściowo zawodnionych. Wskazano na podstawowe związki parametrów sejsmicznych z parametrami geotechnicznymi. Przedstawiono przykład obliczeń jakości górotworu dla potrzeb projektowania tunelu drogowego w Milówce. Tekst artykułu: 1. Wprowadzenie Projektowanie i budowa tuneli komunikacyjnych wymaga rozpoznania wielu współzależnych zagadnień z dziedziny geologii regionalnej, geologii inżynierskiej, geofizyki inżynierskiej i górniczej, geomechaniki, górnictwa i konstrukcji budowlanych. Na bezpieczeństwo tuneli istotny wpływ posiada zmienność budowy geologicznej i właściwości fizyczne gruntów, skał i górotworu w bezpośrednim sąsiedztwie wyrobiska. Dla oceny współpracy górotworu z obudową tunelu podczas długotrwałej jego eksploatacji, przeprowadza się różnego rodzaju obliczenia i modelowania. Dla tych celów niezbędnym jest określenie możliwie dokładnych parametrów geotechnicznych i struktury geologicznej nazywanych również jakością górotworu. Informacja ta pozyskiwana jest z badań polowych i laboratoryjnych. W tym kontekście użyteczne są metody geofizyczne. Doświadczenia pokazują, że w warunkach projektowania tuneli drogowych w Polsce największe zastosowanie znaj duj ą metody sejsmiczna i elektrooporowa [15, 17, 24]. Metody geofizyczne mają duże znaczenie we wstępnym rozpoznaniu warunków geologiczno-inżynierskich w górotworze wzdłuż trasy tunelowej. Pozwalają one na przeprowadzenie pomiaru w sposób nieniszczący, dla większych fragmentów górotworu, stosunkowo szybko i atrakcyjnie ekonomicznie. W ośrodkach niejednorodnych, silnie spękanych i częściowo zawodnionych, typowych dla Karpat fliszowych, parametry geotechniczne wyznaczane w sposób bezpośredni metodami geofizycznymi są znacząco zmienne i przy aktualnym stanie wiedzy mogą służyć jedynie do wstępnego oszacowania ich wielkości. Pozwalają tym samym wyznaczyć w sposób jakościowy zmiany właściwości górotworu. W takich warunkach coraz większe zastosowanie mają klasyfikacje geotechniczne oparte na parametrach geofizycznych. Pozwalają one na wyznaczenie tzw. klas jakości górotworu oraz podstawowe parametry niezbędne dla obliczeń współpracy obudowy z górotworem. Aktualne wysiłki badaczy

2 zmierzają w kierunku uściślenia tych klasyfikacji oraz ich doboru dla konkretnych formacji skalnych. W pracy przedstawiono ostatnie osiągnięcia z zakresu sejsmicznych prac badawczych prowadzonych dla potrzeb budownictwa tunelowego w warunkach Karpat fliszowych. Podkreślono też wybrane osiągnięcia zagraniczne w wykorzystaniu metod geofizycznych, a zwłaszcza sejsmicznej, dla rozpoznania jakości górotworu dla potrzeb budownictwa tunelowego. 2. Ogólne zagadnienia geofizycznego rozpoznania górotworu w problematyce budownictwa tunelowego Informatywność danych geofizycznych dla konkretnego zadania badawczego zależy od doboru metody geofizycznej i modelu geofizycznego opisującego ośrodek oraz w dużym stopniu od metodyki pomiarowej i rzetelności przeprowadzonych pomiarów. Ze względu na sposób prowadzenia pomiarów, metody geofizyczne zastosowane do projektowania prac tunelowych można podzielić na powierzchniowe i podziemne. W pierwszej grupie, do najczęściej stosowanych metod należy zaliczyć refrakcyjne i refleksyjne profilowania sejsmiczne, profilowania i sondowania elektrooporowe i georadarowe, profilowania i dwuwymiarowe obrazy grawimetryczne oraz w mniejszym stopniu pomiary sejsmometryczne. Do drugiej grupy należy zaliczyć metody geofizyki otworowej, prześwietlania sejsmiczne międzyotworowe, lub otwór - powierzchnia oraz geofizyczne techniki pomiarowe wykorzystywane w fazie wykonywania lub eksploatacji tunelu - profilowania i sondowania sejsmiczne, elektrooporowe oraz georadarowe. Do najbardziej perspektywicznych należy zaliczyć metodę georadarową GPR (Grodnu Penetrating Radar) ze względu na jej dużą rozdzielczość. Do interpretacji rejestracji georadarowych coraz częściej wykorzystuje się zaawansowane procedury sejsmiczne, jednak rozwój metody GPR ograniczony jest jej zasięgiem głębokościowym w ośrodkach gruntowych, w efekcie silnego tłumienia w utworach ilastych i zawodnienia. Istotny postęp dokonał się w metodzie sejsmicznej, w szczególności w zakresie konstrukcji aparatury pomiarowej i oprogramowania interpretacyjnego. Rozwój technologii pozwala na rejestrację sygnałów sejsmicznych ze wzmocnieniem rzędu 144 db i rozdzielczością 24 bitów. Możliwe jest również precyzyjne zobrazowanie w trzech wymiarach ośrodka przypowierzchniowego, przy wykorzystaniu większej ilości czujników, przy połączeniu kilku aparatur (rejestratorów). W ostatnich latach zarysował się też postęp w konstrukcji trójskładowych czujników. Pozwoliło to na dokładniejsze analizy drgań i dalszy rozwój podstaw teoretycznych procesu falowego w ośrodkach niejednorodnych. Efektywność interpretacji geofizycznej w dużym stopniu zależy od zgromadzenia możliwie wielu danych komplementarnych z rozpoznania ośrodka innymi metodami badawczymi. W zadaniach budownictwa tunelowego wiarygodne wyniki interpretacji geofizycznej uzyskuje się po korelacji z danymi geologicznymi z otworów badawczych. Metody geofizyczne pozwalają rozpoznać strukturę i właściwości górotworu. Należy jednak mieć na uwadze to, że rozpoznanie może być obarczone błędami, których nie można dokładnie ocenić. Z drugiej strony, takiego efektu rozpoznania przestrzennego jakie uzyskuje się przy pomocy metod geofizycznych nie uzyska się innymi metodami, a trudno sobie wyobrazić ile otworów badawczych należałoby wykonać, aby uzyskać analogiczną informację o budowie ośrodka. Podstawowe zadania badawcze realizowane poprzez metody geofizyczne w budownictwie tunelowym zestawiono w tabeli l. Tabela 1. Zastosowanie metod geofizycznych w budownictwie tunelowym

3 3. Podstawowe zadania metody sejsmicznej w rozpoznaniu warunków geologicznoinżynierskich górotworu W zadaniach inżynierskich, w etapach projektowania i budowy tuneli metodę sejsmiczną można użyć do bliższego rozpoznania: - granic między warstwami zróżnicowanymi litologicznie, granic stref zawodnionych, granic oddzielających strefy różnego stanu wietrzenia górotworu, a zwłaszcza granicy między podłożem a nadkładem; - stref uskokowych i innych stref osłabienia, które mogą stwarzać zagrożenia zawałowe i wodne w trakcie wykonywania tunelu lub jego eksploatacji; - rozpoznania stref osuwiskowych w rejonie portali, a zwłaszcza przebiegu powierzchni poślizgu w takich strefach; - właściwości mechanicznych górotworu (podłoża): dynamicznych modułów sprężystości Ed i odkształcenia objętościowego Gd, dynamicznego współczynnika Poissona vd; oraz; z zależności korelacyjnych statycznego modułu deformacji D i modułu sprężystości Es, które mają bezpośrednie zastosowanie w obliczeniach obudowy wyrobiska; - oceny klas jakości górotworu w klasyfikacji RMR89 [6], Q96 [2] i KFG [3]. Na podstawie zależności korelacyjnych punktacji tych klasyfikacji, można również wyznaczyć podstawowe wielkości mechaniczne górotworu wykorzystywane w obliczeniach współpracy górotworu z obudową wyrobiska. Rys. 1.Podział geotechniczny górotworu na podstawie prędkości fal refrakcyjnych w podłożu skalnym. Rys.2. Rozpoznanie stref osłabień technikami sejsmicznego prześwietlania: a) z otworów, b) z przodka wyrobiska, c) techniką powierzchnia-otwór. Jednym z najważniejszych zadań we wstępnym etapie projektowania tunelu jest podział górotworu na klasy geotechniczne. W tym celu technika refrakcji sejsmicznej jest najczęściej wykorzystywana na podstawie obliczeń prędkości fal refrakcyjnych w konkretnych warstwach, na profilach położonych wzdłuż osi tunelu (rys. 1). Na podstawie znajomości prędkości fali refrakcyjnej przebiegającej przez podłoże skalne można z zależności korelacyjnych wyznaczyć klasy jakości górotworu. Wyniki tego podziału mają również zastosowanie w podziale górotworu na klasy drążenia tunelu [15,17]. Geotechniczny podział góro tworu jest uściślany w badaniach geologiczno-inżynierskich na podstawie danych z wierceń, wykopów czy kartowania powierzchniowego.

4 Jednym z trudniejszych zadań w geofizycznym rozpoznaniu górotworu jest lokalizowanie strefy osłabienia. Rozpoznanie takie ma istotne znaczenie w fazie drążenia wyrobiska dla utrzymania jego stateczności. W pracach tunelowych znane są przypadki rozległych zawałów spowodowanych strefami osłabień tektonicznych lub litologicznych, również w mocnych skałach. W rozpoznaniu stref osłabień najbardziej użyteczne są techniki prześwietlań sejsmicznych wykonywanych z otworów (rys. 2). Dla warunków drążenia tunelu za pomocą maszyny TBM opracowano system sejsmiczny, który pozwala na rozpoznanie stref osłabień w odległości do kilkuset metrów przed przodkiem tunelu (rys. 3) [8]. Rys. 3. Schemat systemu rozpoznania sejsmicznego dla potrzeb drążenia tunelu za pomocą maszyny TBM [9] W rejonach wlotów tuneli prowadzi się rozpoznanie stateczności zboczy. Na przykład w warunkach fliszu karpackiego, w utworach zwietrzałych i zawodnionych zachodzą procesy osuwiskowe, naruszające stateczność portali. Metoda sejsmiczna umożliwia rozpoznanie przebiegu powierzchni poślizgu i stref osłabień (rys. 4). W takich przypadkach, dobre wyniki daje technika refrakcji sejsmicznej w połączeniu z sondowaniami gruntu za pomocą sond wkręcanych i modelowaniem numerycznym zachowania się ośrodka [16]. Rys.4. Rozpoznanie przebiegu powierzchni poślizgu w rejonie osuwiskowym w sąsiedztwie portalu tunelu. 4. Podstawy fizyczne rozchodzenia się fal sejsmicznych w ośrodku spękanym i częściowo zawodnionym. Do badań właściwości ośrodka najczęściej wykorzystywane są fale typu P, S i powierzchniowe oraz parametry tłumienia. Na rysunku 5 przedstawiono typową rejestrację uzyskaną w warunkach utworów fliszowych w rejonie projektowanego tunelu w Lalikach. Rys.5. Obraz falowy rejestracji sejsmicznej wraz z identyfikacją fal refrakcyjnych typu P i S, akustycznej A i powierzchniowej R uzyskany w warunkach utworów fliszowych [21] Na rejestracji można zidentyfikować wiele fal, a w szczególności fale refrakcyjne typu P i S, fale powierzchniowe R i falę akustyczną A. Charakter obrazu falowego najczęściej komplikuje się ze wzrostem stopnia spękania ośrodka oraz jego zawodnieniem.

5 W warunkach spękanego i częściowo zawodnionego ośrodka zachodzą różnego rodzaju zjawiska sejsmiczne - odbicia fal: rozszczepienie, rozproszenie, interferencja czy tłumienie. W ośrodku, w którym długość spękań jest mniejsza od długości fali, dynamiczne parametry sprężyste przyjmują wielkości uśrednione. W ten sposób fragmenty ośrodka niejednorodnego mogą być opisane ekwiwalentnym ośrodkiem jednorodnym o charakterystycznych parametrach sejsmicznych. W górotworach skał osadowych można przyjąć, że uławicenie niezależnie od stopnia spękania ośrodka wprowadza anizotropię jego właściwości. Charakterystyczną cechą anizotropii jest rozdzielenie fali S na dwie mody fal poprzecznych SH i SV propagujących z różną prędkością [11]. Na rysunku 6 przedstawiono modelowy przykład powstawania takiego rozszczepienia dla pionowej orientacji spękań. Interesująca jest energia rejestrowana na składowej prostopadłej do kierunku rozchodzenia się fali. Ze wzrostem odchylenia od kierunku anizotropii występuje wzrost energii na czujniku zorientowanym poprzecznie [20]. Kierunek, dla którego na składowej poprzecznej zaznacza się najmniejsza energia odpowiada kierunkowi anizotropii. Energia sejsmiczna jest jednym z kilku parametrów pozwalającym określić orientację spękań. Generalnie, rozdzielenie fali S na dwie mody powoduje, że każda ze składowych różni się widmem częstotliwościowym. Na obrazie falowym w dziedzinie czasu trudno rozróżnić obie mody, pomimo wyraźnej różnicy czasu ich wejść, ze względu na interferencję. W kierunku osi symetrii ośrodka anizotropowego, w idealnych warunkach, rozdzielenie fali S nie zachodzi i wtedy widmo częstotliwościowe ma inny charakter. W sytuacji, gdy rozszczepienie fali S się pojawia i obie mody interferują wzajemnie, wówczas widmo jest bardziej skomplikowane. Ta koncepcja została wykorzystana w ocenie sposobu rozszczepienia się fali S i w konsekwencji charakteru spękań ośrodka [1]. Rys. 6. Przykład rozszczepienia fali S na dwie mody fal różniących się prędkością propagacji w ośrodku o dominującym, pionowym kierunku spękań [20] W praktyce uzyskanie efektu rozszczepienia fali S wymaga takiego odsunięcia źródła drgań od profilu, aby możliwe było zarejestrowanie opóźnienia czasowego przyjścia fal składowych dla przyjętych parametrów pomiarowych. W polu bliskim analizy tego typu są trudne do przeprowadzenia. Anizotropia sejsmiczna ośrodka charakteryzuje się polaryzacją drgań cząsteczek ośrodka. Polaryzacja drgań na czujniku składowej poprzecznej zmienia się w zależności od kierunku propagacji fali. W idealnym ośrodku anizotropowym występuje zmiana polaryzacji co 90

6 przy przechodzeniu przez kierunek normalny i zgodny z płaszczyznami spękań. Z tym zjawiskiem związany jest charakter rotacyjnych drgań cząsteczek ośrodka. Cząsteczki mogą się przemieszczać zgodnie i przeciwnie do kierunku ruchu wskazówek zegara. Prędkość kątowa zmienia zwrot przy przechodzeniu przez oś symetrii ośrodka. Wzdłuż osi symetrii drgania mają charakter liniowy i ich prędkość kątowa jest równa zero. Największa liniowość drgań jest obserwowana w kierunkach normalnym do płaszczyzn spękań oraz wzdłuż płaszczyzn spękań (rys.7). Rys. 7. Przykład polaryzacji drgań cząsteczek ośrodka przy przechodzeniu fali przez ośrodek anizotropowy [20] R (radial) - kierunek propagacji, T (transversal) - kierunek poprzeczny Istnieje kilka koncepcji, które wyjaśniają wpływ zawodnienia ośrodka na prędkości fal sejsmicznych i ich tłumienia np. dla pełnego zawodnienia ośrodka istnieją modele Biote'a [6], O'Connel i Budiansky'ego [22], a dla zawodnienia częściowego model White'a [31]. Dotychczasowe prace badawcze nie doprowadziły do pełnego wyjaśnienia procesu tłumienia. Na ogół przyjmuje się, że w zakresie częstotliwości sejsmicznych i akustycznych (10Hz-20KHz) dominującym mechanizmem tłumienia fal sejsmicznych są oscylacje płynów porowych i tarcie pomiędzy ziarnami [29, 30]. Znaczenie płynów porowych dla propagacji fal w zakresie częstotliwości sejsmicznych zostało zauważone przez Gassmana [18]. White [31] opracował model, w którym opisał zależność prędkości fal i tłumienia w funkcji między innymi częstotliwości, lepkości, przepuszczalności i porowatości. Podał on, że tłumienie i dyspersja prędkości są spowodowane przepływem płynów pomiędzy pustkami wypełnionymi płynem i gazem w związku z różnym ciśnieniem porowym. Zróżnicowanie ciśnienia porowego, które wynika ze wzrostu częstotliwości drgań ośrodka, powoduje znaczący wzrost prędkości fali P. Generalnie, prędkość fali będzie wyższa w częściowo zawodnionych skałach w porównaniu do skał suchych, a zgodnie z modelem White'a będzie również zależeć od częstotliwości, lepkości i przepuszczalności. Pomiary sejsmiczne wielkości tłumienia w skałach osadowych dostarczają cennych informacji o właściwościach ośrodka lecz są trudne do wyznaczenia. Wielkość amplitudy zależy również od wielkości rozproszenia, geometrycznego rozchodzenia się fali i modelu radiacji energii w źródle czy od sposobu interferencji fal. Dla potrzeb wyznaczenia tłumienia układy pomiarowe są odpowiednio projektowane dla ograniczenia innych czynników traktowanych jako zakłócające obraz falowy. Tłumienie fal sejsmicznych jest procesem, który można opisać poprzez współczynnik tłumienia a, definiowany jako zanik amplitudy charakterystycznej fali na jednostkowej odległości, lub współczynnik jakości Q, będący odwrotnością zaniku energii charakterystycznej fali na jej długości. Wielkość Q jest szeroko wykorzystywana do opisu zdolności skały do przenoszenia energii sejsmicznej. Na ogół przyjmuje się, że skały słabo przenoszące energię mają wartość Q poniżej 25, a dobrze - powyżej 100. Dla ilościowej oceny zmian tłumienia ze zmianą właściwości górotworu należy dokonać korelacji wielkości parametrów tłumienia z jakością górotworu. Taka analiza wymaga odpowiedniej ilości pomiarów w zróżnicowanych warunkach geotechnicznych za pomocą

7 specjalnie zaprojektowanych układów. W celu estymacji tłumienia wykorzystuje się powszechnie technikę obliczeń tzw. stosunku spektrów podanej przez Toksoza i in. [28]. Na rysunku 8 podano przykład obliczeń spektralnego współczynnika Q dla częstotliwości f1 = 24Hz i f2 = 92 Hz w warunkach bardzo słabych utworów fliszu karpackiego w rejonie projektowanego tunelu Laliki. Logarytmy ilorazów wielkości widma dla dwóch dominujących częstotliwości wyznaczono w taki sposób, że [32]: Zmiany współczynnika Q są przedstawiane graficznie w sposób analogiczny, jak w przypadku obliczeń tłumienia na podstawie maksymalnych amplitud. W celu wyznaczenia spektralnego współczynnika dobroci można aproksymować liniowo ilorazy widm par sygnałów sejsmicznych zarejestrowanych na wszystkich punktach pomiarowych w odniesieniu do punktu położonego najbliżej źródła. Aproksymacja liniowa wszystkich danych pomiarowych na danym profilu, pozwala wyznaczyć średni współczynnik dobroci Q. Rys. 8. Zmiany spektralnego współczynnika Q dla częstotliwości f1 = 24Hz i f2 = 92 Hz w warunkach bardzo słabych utworów fliszu karpackiego w rejonie projektowanego tunelu w Lalikach [21] PS- położenie źródła drgań Inny ogólnie przyjęty sposób wyznaczania współczynnika dobroci Qv polega na obliczeniu [19] Qv= (fπ/v α)-( V α/ 4fπ) gdzie: f- częstotliwość drgań, V- prędkość fali refrakcyjnej, α- współczynnik tłumienia Dla ośrodków porowatych, gdzie Qv>>1 można przyjąć, że [10]: Qv= fπ/v α Przykład obliczeń przedstawiono na rysunku 9 w postaci wykresów zależności współczynnika Qv od współczynnika a dla średniej prędkości fali refrakcyjnej P (Vp= 1400 m/s), charakterystycznej dla warstwy silnie zwietrzałej w modelu sejsmicznym utworów fliszu karpackiego. Z wykresów wynikają następujące prawidłowości - współczynnik Qv przyjmuje większe wartości ze wzrostem częstotliwości i dla korzystniejszych warunków propagacji fali sejsmicznej.

8 Rys. 9. Zależność współczynnika Qv od częstotliwości dla różnych współczynników tłumienia α i dla stałej prędkości refrakcyjnej fali P, Vp m/s charakterystycznej dla warstwy silnie zwietrzałej dla modelu utworów fliszu karpackiego w rejonie projektowanego tunelu w Lalikach [21] 5. Parametry sejsmiczne a parametry geotechniczne górotworu Parametry sejsmiczne są wielkościami fizycznymi charakteryzującymi sposób propagacji fal w górotworze. Do podstawowych parametrów należy zaliczyć prędkości fali podłużnej P i poprzecznej S. W niektórych testach wykorzystuje się również amplitudę i częstotliwość fal. Użytecznymi są również takie wielkości jak: stosunek prędkości fal P i S, współczynnik anizotropii, czy współczynnik tłumienia [np. 14]. Na podstawie zależności teoretycznych lub empirycznych wykorzystujących parametry sejsmiczne można wyznaczyć parametry sprężystości i wytrzymałości górotworu. Ze względu na dużą zmienność danych, niewiele jest znanych zależności opisujących wytrzymałość ośrodka skalnego. Na ogół, w tego typu zależnościach, wykorzystuje się związki korelacyjne między prędkością fal sejsmicznych, a wytrzymałością na jednoosiowe ściskanie Rc dla mocniejszych skał. Są to jednak zależności opracowywane dla konkretnych rejonów badań i ich uogólnianie może być obciążone dużym błędem. Szersze znaczenie praktyczne mają sposoby wyznaczania właściwości wytrzymałościowych górotworu na podstawie klasyfikacji geofizycznych omówionych w kolejnym rozdziale. Natomiast najpowszechniej parametry geofizyczne, a głównie sejsmiczne, wykorzystuje się do wyznaczania właściwości sprężystych górotworu. Takie podejście wynika z założenia o sprężystym zachowaniu się górotworu w procesie rozchodzenia się fal sejsmicznych. Metodami sejsmicznymi można oceniać jakość górotworu - cechę związaną z właściwościami geotechnicznymi i budową geologiczną ośrodka. W tym celu wykorzystuje się różne klasyfikacje geotechniczne, których szerszy opis można znaleźć w pracach Pinińskiej [26] i Pileckiego [23, 24, 25]. W ogólnym ujęciu, klasyfikacje geotechniczne pozwalają skwantyfikować podstawowe cechy górotworu w oparciu o system punktowy opracowany metodą empiryczną. Na podstawie sumarycznej punktacji ocenianych cech wyznacza się klasy jakości górotworu, parametry używane w obliczeniach zachowania się układu górotwór - obudowa i dobiera się rodzaj obudowy dla konkretnych warunków. Klasyfikacje pozwalają na wyznaczenie takich parametrów górotworu jak: moduł sprężystości, spójność, kąt tarcia wewnętrznego czy stałe materiałowe m i 5 kryterium wytrzymałościowego Hoeka-Browna. W tym znaczeniu posiadają dużą przydatność inżynierską w projektowaniu obiektów podziemnych. Klasyfikacje te są na ogół opracowywane dla konkretnych rodzajów górotworu, stąd niewiele jest klasyfikacji uniwersalnych. Na przykład klasyfikacja Qc podana przez Bartona [2] należy do kategorii uniwersalnych, a klasyfikacja KFG opracowana przez Bestyńskiego [3] jest dostosowana do warunków lokalnych - fliszu karpackiego. 6. Przykład obliczeń jakości górotworu w rejonie projektowanego tunelu Milówka 6.1. Metodyka pomiarowa i interpretacyjna Pomiary sejsmiczne przeprowadzono w miesiącach październiku i listopadzie 2001 roku. Wykonano 1700 mb profili sejsmicznych podłużnych - wzdłuż osi projektowanego tunelu i poprzecznych - prostopadłych do tej osi. Rozstawy posiadały długość 115 m i zakładkę 15 m, a odstęp między czujnikami wynosił 5 m. Falę sejsmiczną wzbudzano poprzez udar 6 kg młotem. Punkty wzbudzania fali były położone w odległościach od pierwszego czujnika -30

9 m, 2,5 m, 27,5 m, 57,5 m, 82,5 m, 112,5 m, 145 m. Sygnał próbkowano z taktem 0,125 ms. Czas rejestracji wynosił 0,512 s przy 5-8-krotnym składaniu. Pomiary przeprowadzono za pomocą 24-kanałowej aparatury sejsmicznej Geode produkcji USA. Aparatura ta charakteryzuje się dynamiką 144 db i rozdzielczością 24 bitów. Do pomiarów wykorzystano geofony o częstotliwości własnej 14 Hz produkcji Geospace, USA. System pomiarowy był obsługiwany za pomocą oprogramowania MGOS - (Multiple Geode Operation System) firmy Geometrics Inc. produkcji USA. Dane zostały zapisane w formacie sejsmicznym SEG-2. Zarejestrowane trasy sejsmiczne po sortowaniu i składaniu zostały przefiltrowane częstotliwościowe i prędkościowo. Do obliczenia modelu prędkościowego i głębokościowego ośrodka wykorzystano metodę czasu wzajemnego (reciprocal traveltimes method). Korekty modelu dokonano metodą analizy odwrotnej. Poprzez zmianę położenia granic modelu głębokościowego dopasowano hodografy obliczone do obserwowanych w taki sposób, aby średni błąd kwadratowy tego dopasowania był minimalny Wyniki badań W etapie interpretacji przyjęto czterowarstwowy model ośrodka. Generalnie założono, że ośrodek zbudowany jest z nadkładu oraz podłoża. Przyjęto, że właściwości podłoża odpowiadają właściwościom górotworu na poziomie drążenia tunelu. Ze względu na brak rozpoznanej na tym etapie budowy geologicznej ośrodka, sejsmiczny obraz podłoża utworów fliszowych przedstawiono w sposób syntetyczny. W wyniku badań sejsmicznych uzyskano przekroje oraz mapę sejsmiczną podłoża. Przykłady tych wyników przedstawiono na rysunkach 10 i 11. W nadkładzie wyróżniono trzy warstwy ze względu na ich zbliżony stan mechaniczny spowodowany intensywnym wietrzeniem oraz korzystniejszym dopasowaniem hodografów teoretycznego i obserwowanego. Obliczone zmiany prędkości zestawiono w tabeli 2. Tabela 2. Zmiany prędkości refrakcyjnych fal typu P w 4-warstwowym modelu górotworu wzdłuż osi tunelu Milówka [13] Z badań wynika, że grubość nadkładu jest zmienna od około 5,5 m w części północnej do około 13,0 m w części środkowej odcinka tunelowego. Dla utworów nadkładu nie wyznaczano parametrów geotechnicznych ze względu na dużą niejednorodność ośrodka i brak wiarygodnych zależności korelacyjnych. W podłożu (warstwa czwarta) prędkości refrakcyjne Vp zmieniają się od 2400 m/s do 2750 m/s. Najniższe wartości w granicach od 2400 do 2450 m/s występują w rejonie północnego portalu tunelu oraz na odcinku od około km do około km Natomiast największe prędkości pomierzono na odcinku od km do km W podłożu występują utwory mniej zwietrzałe, lecz w sposób zróżnicowany ze względu na zmienną przepuszczalność i różne drogi przepływu wody w górotworze. Wielkość statycznego średniego modułu deformacji D wyznaczono z zależności [2] D=10*10 (Vp-3500)/3000 [GPa]

10 gdzie: Vp refrakcyjna prędkość fali P. Minimalne wielkości tego modułu Dmin zostały obliczone z nomogramu sejsmicznej klasyfikacji Qc [2]. Natomiast punktacja klasyfikacji Q została wyznaczona na podstawie następującej zależności [2] Q=10 (Vp-3500)/1000 Rys.10. Przekrój sejsmiczny podłużny wzdłuż osi projektowanego tunelu Milówka [13] Rys.11. Mapa sejsmiczna podłoża utworów fliszowych wzdłuż osi projektowanego tunelu Milówka [13] W celu wykorzystania klasyfikacji KFG do oceny właściwości górotworu przeprowadzono pomiary elektrooporowe [12]. W tabeli 3 zestawiono wyliczone parametry geotechniczne górotworu dla tunelu Milówka. Parametry te są wielkościami wyznaczonymi w stropowej części podłoża skalnego i należy przyjąć, że opisują one warunki drążenia na poziomie tunelu. Właściwości górotworu wyznaczone różnymi klasyfikacjami zostały dla porównania zilustrowane na rysunku 12. Generalnie obliczone parametry osiągają zbliżone wartości, z wyjątkiem modułu Dśredn według Bartona [2]. Parametry te w porównaniu do wyników metodą dylatometryczną przyjmują wyższe wartości, lecz mieszczą się w zakresie ich zmienności [13].

11 Rys. 12. Ocena właściwości geotechnicznych górotworu według punktacji klasyfikacji RMR (a), KFG (b) i Q (c) wyznaczonych na podstawie pomiarów sejsmicznych dla tunelu Milówka [13] Tabela 3. Parametry geotechniczne górotworu wyznaczone na podstawie refrakcyjnych pomiarów sejsmicznych dla projektowanego tunelu Milówka [13] 7. Podsumowanie Dokładne i miarodajne rozpoznanie geologiczno-inżynierskie ośrodka jest niezbędne do racjonalnego zaprojektowania przebiegu wyrobiska tunelowego, a także pozwala na efektywną analizę współpracy obudowy tunelu z górotworem. W przypadku projektowania tuneli, podstawowe znaczenie ma uśrednienie właściwości górotworu. Praktyka pokazuje, że uśrednienie tych właściwości jakie daje większość klasyfikacji geotechnicznych, w tym wykorzystujących parametry geofizyczne, jest akceptowane przez projektantów. W Polsce, w ostatnich kilkudziesięciu latach metody geofizyczne znalazły zastosowanie w budownictwie podziemnym, a ostatnio przy projektowaniu tuneli komunikacyjnych w Karpatach fliszowych. Metody te pozwalają na przeprowadzenie badań w sposób nieniszczący, dla większych fragmentów górotworu, stosunkowo szybko i ekonomicznie. Dostarczają one użytecznych danych, które mogą być wykorzystane dla modelowania zachowania się układu górotwór - obudowa tunelu. Do najbardziej rozpowszechnionych metod geofizycznych należy metoda sejsmiczna, pomimo, że jest pracochłonna i do przeprowadzenia pomiarów wymagana jest specjalistyczna aparatura oraz oprogramowanie. Dotychczasowe doświadczenia w wyznaczaniu właściwości górotworu za pomocą metody sejsmicznej opierają się głównie na prędkości refrakcyjnej fali P. Należy sądzić, że pomimo trudności w wyznaczeniu innych parametrów sejsmicznych, a zwłaszcza parametrów fali S i tłumienia, dalszy rozwój rozpoznania jakości górotworu powinien zmierzać w kierunku ich wyznaczania i skalowania. Wyniki metody sejsmicznej świadczą o jej przydatności przy rozwiązywaniu problemów jakie wynikają przy projektowaniu tuneli. Metoda ta pozwala wyznaczyć parametry geotechniczne w sposób pośredni z wykorzystaniem klasyfikacji jakości górotworu oraz dostarcza informacji o strukturze ośrodka i występowaniu stref osłabienia. W tym kontekście zastosowanie metody sejsmicznej i innych metod geofizycznych do rozwiązywania zagadnień geotechnicznych przy projektowaniu i budowie tuneli powinno się zwiększać. 8. Literatura

12 [1] Bale R., Dumitru G. and Probert T.: Analysis and stacking of 3D converted wave data in the presence of azimuthal anisotropy. 70* SEG meeting, Calgary, Canada, Expanded Abstracts, 2000, pp [2] Barton N.: Estimating rockmass deformation modulus for excavation disturbedżonę studies. Proc. of excavation disturbed żonę workshop, eds. J.B. Montino&C.D. Martin, September , Manitoba, Canada, 1996, pp [3] Bestyński Z.: Ocena właściwości geotechnicznych fliszu karpackiego na podstawie badań geofizycznych. Praca doktorska, AGH, Kraków 1997 [4] Bieniawski Z.T.: Determining rock mass deformability: experience from case - histories. Int. J. Rock Mech. Min. Sc.&Geomech. Abstr. 15, 1978, pp [5] Bieniawski Z.T.: Rock mechanics design in mining and tunneling. Balkema, Rotterdam 1984 [6] Bieniawski Z.T.: Engineering rock mass classification. Wiley, New York 1989 [7] Biot M. A.: Mechanics of deformation and acoustic propagation in porous media. Journal of Applied Physics 33, 1962, pp [8] Borm G., Giese R., Otto R, Dickmann Th., Amberg R: Intergrated Seismic Imaging System for geological prediction ahead of underground construction. Rapid Excavation and Tunnelling Con-ference. June , San Diego 2001 [9] Borm G., Giese R.: Geophysical investigations: Integrated seismic imaging system for geological prediction during tunnel construction. Rational Tunneling (D. Kolymbas ed.). Logos Yerlag, Berlin 2003 [10] Carcione J.M.: Wave Fields in Real Media: Wave Propagation in Anisotropic, Anelastic and Porous Media. Handbook of Geophysical Exploration, vol. 31. Pergamon Press Inc., 2001 [11] Crampin S. Evaluation of anisotropy by shear-wave splitting. Geophysics 50, 1985, pp [12] Dokumentacja badań elektrooporowych nt. Badanie górotworu metodą geofizyczną - elektrooporową wzdłuż tuneli projektowanych w ciągu drogi ekspresowej S-94 na odcinku Węgierska Górka -Milówka. P.W. MAK" (Krzeszowice M. i in.), Mysłowice, marzec 2002 (a) (praca niepublikowana) [13] Dokumentacja badań sejsmicznych - wykonanie rozpoznania sejsmicznego trasy tuneli projektowanych w ciągu drogi ekspresowej S-94 na odcinku Przybedza - Milówka od km do km IGSMiE PAN (Pilecki Z. i in.) - maj 2002 (b) (praca niepublikowana) [14] Dubiński J., Pilecki Z., Zuberek W. (eds.): Badania geofizyczne w kopalniach. Wyd. IGSMiE PAN, Kraków 2001 [15] Dziewański J., Pilecki Z., Sroczyński W.: Zagadnienia badań geologicznoinżynierskich w projektowaniu tuneli komunikacyjnych w utworach fliszu karpackiego - na przykładzie tunelu w Lalikach. Studia, Rozprawy, Monografie 96, Wyd. IGSMiE PAN, Kraków 2001 [16] Dziewański J., Pilecki Z.: Ocena warunków geologiczno-inżynierskich na terenie powierzchniowych ruchów masowych na przykładzie osuwiska w Zgłobicach. Studia, Rozprawy, 14. Monografie 109, Wyd. IGSMiE PAN, Kraków 2002 [17] Dziewański J., Pilecki Z.: Problemy rozpoznania geologiczno-inżynierskiego w projektowaniu tuneli drogowych Węgierska Górka i Milówka. Studia, Rozprawy, Monografie 120, Wyd. IGSMiE PAN, Kraków 2003 [18] Gassmann F.: Uber die elastizitat poróser medien. Yierteljahrsschrift der Naturforschenden Gesel-Ischaft in Zurich 96, 1951, pp [19] Hamilton E.L.: Compressional-wave attenuation in marine sediments. Geophysics, 37, 1972, pp

13 [20] Horne S.: Fracture characterization from walkaround VSPs. Geophysical Prospecting 51 (6), 2003, pp. 493^99 [21] Marcak H., Pilecki Z. (red.).: Praca zbiorowa: Wyznaczanie właściwości utworów fliszu karpackiego metoda sejsmiczną dla potrzeb budownictwa tunelowego. Wyd. IGSMiE PAN, Kraków 2003 [22] O'Connell R.J., Budiansky B.: Yiscoelastic properties of fluid-saturated cracked solids. Journal of Geophysical Research 82, 1977, pp [23] Pilecki Z.: Metoda oceny zachowania się masywu skalnego wokół wyrobiska na podstawie badań in situ. Studia i Rozprawy 59, Wyd. PAN IGSMiE, Kraków 1999 [24] Pilecki Z.: Wyznaczanie parametrów górotworu na podstawie klasyfikacji geotechnicznych. Wyd. Drukrol, Kraków 2002 [25] Pilecki Z.: Geofizyczne klasyfikacje właściwości górotworu. Przegląd Geologiczny, vol. 51, nr 7, 2003 [26] Pinińska J.: Systemy geologiczno-inżynierskie oceny skał i masywów skalnych. Przegląd Geologiczny vol. 49, nr 9, 2001, ss [27] Serafim J.L. i Pereira J.P.: Consideration of the geomechanical classification of Bieniawski. Proc. Int. Symp. on Eng. Geology and Underg. Constr., Lisbon, vol. 1(11), 1983, pp [28] Toksóz M.N., Johnston D.H., Timur A.: Attenuation of seismic waves in dry and saturated rocks: I. Laboratory measurements. Geophysics 44, 1979, pp [29] Winkler K.W., Nur A.: Porę fluids and seismic attenuation in rocks. Geophysical Research Letters 6, 1979, pp [30] Winkler K. W. i Nur A.: Seismic attenuation: effects of pore fluids and frictional sliding. Geophysics 47, 1982, pp [31] White J.E.: Computed seismic speeds and attenuation in rocks with partial saturation. Geophysics 40, 1975, pp [32] Yih J., Jing Yih T., Chen S.: Ań improved method of determining near-surface Q. Geophysics, vol. 64, No 5, 1999, pp The examination of rock mass quality by seismic method in tunnel construction ABSTRACT: Application of seismic method for geotechnical purposes in planning and construction road tunnels has been presented. The basic tasks of seismic method in recognition of geological engineering conditions of rock mass have been described. Physical processes which take place during seismic waves propagation in fractured and partially saturated medium have been underlined. The main empirical relation-ships between seismic and geotechnical parameters used in rock mass quality calculations have been pointed out. Finally, an example of rock mass quality calculations for needs of Milówka tunnel planning has been presented. Laboratoryjne i polowe badania skał i gruntów Redaktorem tych stron jest: Ryszard Siuta.