Глубинные георадары: правда и мифы, как разобраться и сэкономить на изысканиях

Ред.: Нурбулат Амангельдиевич, некоторые инженеры рассказывают о георадаре как о чудо-приборе, который видит земную толщу на сотни метров. Способствует ли это продажам и заказам?

Н.Д.: Человеку свойственно ожидание чуда, но инженер, который разбирается в возможностях и ограничениях технологий исследования подповерхностного пространства, не будет опираться на слухи.

В определенных геологических условиях инновационные глубинные георадары, с которыми работает наша компания, действительно могут фиксировать отражения от разделов сред мощных электромагнитных импульсов с глубин в несколько сотен метров. Достоверность картины распространения горных пород под землей и точность локализации аномалий во многом зависит от квалификации интерпретатора георадарных данных и геологической информации по реперным скважинам.

Необходимо учитывать, что с увеличением глубинности исследований снижаются их точность и разрешение. Также не нужно забывать, что в отличие от изысканий бурением георадиолокация, как и все другие геофизические технологии, - косвенный метод исследования подповерхностного пространства.

На основании только георадарных исследований может быть получен достаточно точный ответ на вопрос «где именно», а ответ на вопрос «что именно» зависит от поставленной задачи изысканий.

Бытующее у некоторой части инженеров мнение о георадаре как о неком чудесном «всевидящем подземном оке» нам вредит. Когда такие экстремальные ожидания не оправдываются, наступает разочарование, формируется негативное отношение к георадарным методам.

Ред.: Георгий Васильевич, в чем преимущества георадара перед другими методами исследования грунтов? Когда и какой способ или совмещение способов лучше?

Г.Б.: Все методы исследований подповерхностного пространства можно разделить на две основные категории: прямые – бурение, и все остальные – косвенные, к которым относятся и геофизические работы, в том числе георадиолокация.

Инженерные изыскания только с помощью бурения дают неполную картину. В межскважинном пространстве могут притаиться карсты, обводненные зоны и другие аномалии, локально снижающие несущую способность грунтов. Также между скважинами к дневной поверхности может выходить скальный грунт или валуны, что потребует при земляных работах применения спецтехники и дополнительных расходов.

Так как георадиолокационные исследования ведутся по непрерывным профилям, с их помощью решается задача получения детальной информации о подповерхностных структурах между скважинами. Поэтому с применением георадиолокационных исследований объемы бурения скважин могут быть сокращены до допустимого минимума.

Георадиолокационные исследования не требуют использования тяжелой техники и громоздкого оборудования. Работа выполняется оперативно, практически с любой поверхности и в любой сезон. Для георадиолокации оптимальным является соотношение информативности, точности результатов и стоимости изысканий. Сочетание бурения с георадиолокацией и другими геофизическими технологиями, позволяет получить наиболее полный и достоверный результат.

Ред.: Какие георадары представлены на отечественном рынке?

Н.Д.: В России представлены все виды георадаров: от высокочастотных, малой мощности, порядка сотни ватт, до низкочастотных глубинных приборов, мощностью до нескольких десятков мегаватт. К первым относятся массовые георадары «Око», «Питон», «Зонд», ко вторым – георадары «Интерраскан», «Лоза», «Грот».

Используются и приборы иностранного производства: Mala (Швеция), LMX (США), SIR (США) и другие. Из-за санкций становится все сложнее обслуживать и ремонтировать импортные устройства, а также обновлять их программное обеспечение.

Специфических требований к сертификации и метрологии георадаров нет, поэтому поставщики ограничиваются получением сертификатов соответствия Таможенного союза и добровольными системами сертификации ISO.

Ред.: Когда и почему нужен радар, установленный на машине, на дроне, в руках человека?

Г.Б.: Все зависит от задач. Георадарные комплексы на автомобилях, оснащенные высокочастотными георадарами, используются для обследования дорожных одежд и их оснований. Исследования могут выполняться на скорости до 80 км/час, но их глубина при этом не превышает одного-двух метров.

Другие инженерно-геологические задачи решаются с помощью низкочастотных георадаров, антенны которых перемещаются по обследуемой поверхности пешим оператором вручную или с помощью спецтехники на низкой скорости. Глубина работ – от нескольких десятков до нескольких сотен метров. Такие исследования востребованы в инженерной геологии, геологоразведке.

Изыскания с воздуха – новая ступень развития георадиолокационной технологии. Георадар на БПЛА может выполнять исследования подповерхностного пространства, по дневной поверхности которого пеший оператор не может пройти: курумы, крутой склон, тонкий лед, кровля горных выработок с опасностью их обвала.

При полете БПЛА с георадаром на высоте 20-25 метров глубина исследований достигает 10-12 метров. Полевая часть изысканий с воздуха выполняется быстрее, если сравнивать с другими способами.

Ред.: Почему о георадарах в изысканиях иногда говорится как о чем-то новом, ведь радары используются давно?

Н.Д.: Георадиолокационная технология действительно не нова, ей уже 55 лет. В 1969 году советский инженер М.И. Финкельштейн предложил основополагающий принцип исследования подповерхностного пространства с помощью синтезируемого видеоимпульсного сигнала. Именно этот принцип используется в глубинных георадарах до сих пор.

Приборы совершенствуется. Появились новые мощные передатчики, генерирующие зондирующие видеоимпульсы продолжительностью в несколько наносекунд, что повысило точность исследований. Только представьте, за одну наносекунду электромагнитная волна в вакууме преодолевает около 15 сантиметров!

В приемниках георадаров начали применяться новые принципы регистрации и оцифровки отражения зондирующих сигналов, а также более совершенная элементная база. Для расшифровки георадарных данных создано мощное программное обеспечение.

Результатом всех этих качественных изменений стало создание и развитие в нашей стране технологии глубинной георадиолокации, которая отличается большей глубиной исследований, более высоким разрешением и точностью, чем на предыдущем технологическом укладе нашей наукоемкой отрасли.

Ред.: В чем сложности интерпретации данных? Почему об этом дискутируют на инженерных форумах?

Г.Б.: Как бы ни совершенствовалось ПО, используемое для обработки результатов георадарных измерений, человека оно пока не заменяет.

Именно специалист, опираясь на свой экспертный опыт и профессиональную интуицию, может различить на радарограмме аномалию, подобрать оптимальные фильтры для выявления локализованной сложной подповерхностной структуры или объекта, а затем объективно интерпретировать полученный результат. Опыт расшифровки и интерпретации радарограмм накапливается с годами.

К сожалению, некоторые индустриальные заказчики недооценивают участие квалифицированных экспертов в расшифровке данных и полагают, что прибор все сделает сам. Они закупают георадары для самостоятельного использования, но силами своих специалистов выполнить качественную интерпретацию собранных данных не могут. В результате убирают в дальний угол склада приобретенное дорогостоящее оборудование и навешивают на технологию ярлык «шаманство».

Ред.: Расскажите истории из вашей практики. Как использовался радар для обследования зданий, дорог, других объектов?

Н.Д.: Одна из наших экспедиций была на Ямале, мы участвовали в предпроектных изысканиях на месте строительства международной арктической станции «Снежинка». Заказчиком выступал Институт арктических технологий МФТИ.

Мы выявили, что скальное твердое основание на двух третях площадки перекрыто 18-20 метрами трещиноватых пород. Но если пятно застройки сдвинуть на несколько десятков метров от первоначального плана, оно окажется в зоне с выходом скального грунта на глубину около трех-четырех метров. Заказчик принял наше предложение, ведь оно позволяло снизить издержки на создание несущих оснований станции «Снежинка».

В Забайкальском крае мы исследовали трассу будущего нефтепровода. Заказчик выполнил бурение пяти скважин по всей будущей трассе, требовалось еще 13. Прежде чем бурить дальше, решили провести межскважинные изыскания с помощью георадара.

Была поставлен задача – уточнить глубину залегания твердого грунта по обследуемой трассе. Если бы при прокладке траншеи под нефтепровод встретился твердый грунт, заказчику пришлось бы использовать более мощную технику и нести незапланированные затраты.

Нами было выполнено выделение (моделирование) инженерно-геологических элементов по трассе нефтепровода. Мы разделили грунты в подповерхностном пространстве по типу пород, определили границу между рыхлыми и твердыми грунтами.

Заказчик получил объективные данные для дальнейшего планирования строительных работ и существенно сэкономил на предпроектных изысканиях, отказавшись от дополнительного изыскательского бурения.

Ред.: На одном из инженерных форумов участники говорили, что госэкспертиза может быть не пройдена, если уменьшить количество скважин и заменить бурение георадаром. Можете это пояснить?

Н.Д.:  Речь не идет о полной замене бурения георадиолокационными исследованиями, но вполне возможно сократить его объем до минимально допустимого, вписаться в нормативы проведения изысканий и дополнить их исследованиями с помощью георадара.

Такой комплексный подход позволит снизить затраты на избыточное бурение и получить более полную и точную информацию о геологическом строении и подповерхностных аномалиях обследуемой зоны.

В своде правил Минстроя СП 446.1325800.2019 «Инженерно-геологические изыскания для строительства. Общие правила производства работ» (таблица Г.З) георадиолокация включена как в основные, так и во вспомогательные геофизические методы, используемые для решения инженерно-геологических задач.

Перечислю некоторые, где рекомендовано применение георадаров как основного метода исследования: определение геологического строения массива; определение местоположения, глубины залегания и формы локальных неоднородностей, в том числе зон трещиноватости и тектонических нарушений, льдов и сильнольдистых грунтов, межмерзлотных вод и таликов; изучение инженерно-геологических процессов, в том числе оползней, карста, геокристаллических.

В общей сложности в этом документе применение георадара регламентировано для решения 16 видов инженерно-геологических задач.

Мы ратуем за то, чтобы уже сейчас в полной мере использовать возможности, которые содержатся в существующих нормативно-правовых актах в отношении георадиолокационных методов.

Ред.: Каковы особенности работы георадара в условиях вечной мерзлоты?

Г.Б.: Георадар хорошо идентифицирует аномалии многолетнемерзлых грунтов: ледяные линзы, жильный лед, зоны пластичной мерзлоты, зоны морозного пучения, таликов и оттайки, а также прочие аномалии, которые могут влиять на нарушение несущей способности грунтов под основаниями сооружений.

Отражения электромагнитных зондирующих сигналов от границ этих сред в мерзлых грунтах формируют отчетливую картину локализации опасных подповерхностных структур в вечной мерзлоте.

Георадарное исследование – бережный способ инженерных изысканий, потому что многолетнемерзлые грунты не разрушаются, как во время бурения.

На одном из объектов в Салехарде мы столкнулись с оттайкой грунта вокруг изыскательской скважины, пробуренной за год до наших полевых работ. Диаметр оттаявшей зоны составлял около пяти метров, такие явления нежелательны в зоне вечной мерзлоты.

Ред.: Какие виды радаров могут вскорости появиться? В чем потребности?

Н.Д.: Новые изобретения рождаются в результате поиска ответов на осмысленные человеком новые вызовы и потребности.

Одна из проблем в георадиолокации – большое рассеивание и потеря энергии электромагнитных волн в некоторых типах грунтов, например, в обводненных глинистых почвах.

Еще одна проблема – неоднозначность решения обратной задачи, то есть достоверное восстановление по отраженным сигналам типа грунтов, видов аномалий. Ждет своего инновационного решения и задача снижения шумов и помех на радарограммах.

Ответами на такие вызовы могут стать новые технические решения по типу и конструкции антенн, усовершенствование методов обработки сигнала, комбинирование георадиолокации с другими геофизическими методами, внедрение автоматизированных систем обработки, анализа и интерпретации георадиолокационных данных с применением искусственного интеллекта и глубокого машинного обучения.