Нормативно-техническое обеспечение георадарных работ

На сегодняшний день все большее распространение получает выполнение неразрушающего контроля автомобильных дорог методом георадиолокации для задач контроля изменения толщины слоев дорожной одежды, поиска ослабленных зон в слоях основания дорожных одежд и земляного полотна, поиска инженерных коммуникаций и решения иных прикладных задач дорожного хозяйства

В свободном доступе имеется большое количество отечественных и зарубежных публикаций об опыте применения георадаров для решения указанных задач. Однако, планируя осуществлять георадарные обследования, пользователь сталкивается с большим количеством вопросов, ответы на которые ему получить не всегда легко. В первую очередь начинающие специалисты сталкиваются с вопросами выбора оборудования. Безусловно подбор оборудования должен быть регламентирован как перечнем решаемых текущих задач, так и возможностью их расширения. Автомобильная дорога – линейный протяженный объект, по которому, в зависимости от категории, осуществляется дорожное движение с различной интенсивностью. Очевидно, что методика производства георадарных работ на автомобильных дорогах должна обеспечивать должный уровень производительности, безопасности и качества получаемого результата. В Российской федерации на сегодняшний день действует несколько документов, регламентирующих порядок выполнения георадарных работ на автомобильных дорогах:

1) ГОСТ 32868-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Требования к проведению инженерно-геологических изысканий»
2) ГОСТ Р 58349-2019 «Дороги автомобильные общего пользования. Дорожная одежда. Методы измерения толщины слоев дорожной одежды»
3) ОДМ 218.3.075-2016 «Рекомендации по контролю качества выполнения дорожно-строительных работ методом георадиолокации»
4) ОДМ 218.2.037-2013 Методические рекомендации на проведение изыскательских работ при капитальном ремонте и ремонте автомобильных дорог
5) ОДМ 218.4.030-2016 Методические рекомендации по оценке грузоподъемности ледовых переправ
6) Методические рекомендации по применению георадаров при обследовании дорожных конструкций. Министерство транспорта Российской Федерации. Государственная служба дорожного хозяйства Российской Федерации (РОСАВТОДОР) Москва 2003

Вместе с тем выполнение первых же проектов с применением георадара ставит перед инженерами отрасли дорожного хозяйства ряд вопросов. И наконец на завершающем этапе камеральной обработки результатов георадарного обследования возникают основные сложности – интерпретация георадарных данных. Однако, вне зависимости от используемого оборудования, общие рекомендации по выполнению работ всегда неизменны

Настоящая статья призвана раскрыть особенности выполнения отдельных технологических операций с точки зрения практики, и в т.ч. для демонстрации последовательного процесса работы, получения промежуточных и конечного результата георадарного обследования

Как ранее было сказано, выбор оборудования для георадарных обследований должен быть обусловлен плановыми задачами. Для собственников, операторов автомобильных дорог и генподрядных дорожно-строительных организаций актуальными являются задачи операционного и приемочного строительного контроля выполненных дорожно-строительных работ. В рамках строительного контроля владелец сооружения должен убедиться, что генподрядная организация выполнила устройство слоев дорожной конструкции в соответствии с проектными решениями в части их необходимой толщины и однородности свойств. В свою очередь генподрядчик должен иметь точную и объективную картину о соответствии выполненных дорожно-строительных работ требованиям проектной документации для поддержания должного уровня деловой репутации. Для решения указанных задач, как правило применяются передвижные дорожные лаборатории, оборудованные системой подповерхностного зондирования с антенными модулями, работающими с отрывом от поверхности (рис. 1). При этом основными руководящими документами являются ГОСТ Р 58349-2019 и ОДМ 218.3.075-2016

nts1   nts2

Рисунок 1 – Передвижная дорожная лаборатория с навесным антенным модулем георадара

У подобных решений существуют неоспоримые преимущества: стационарное закрепление, высокая производительность и безопасность сбора данных, сравнительная большая автономность и полезная нагрузка на носитель, возможность комплексирования с другими измерительными устройствами. Недостатками решения являются: относительно малая глубина сканирования, невозможность выполнения обследования локальных мест, например откосов выемок и насыпей земляного полотна, грунтового основания земляного полотна и т.п.

Для проектно-изыскательских организаций более актуальными являются задачи оценки фактического строения и состояния дорожных конструкций, места смены конструктива, однородности грунтов земляного полотна, наличия и положения инженерных коммуникаций под сооружением с целью выбора наиболее оптимальных проектных решений для планируемых дорожно-строительных работ. Применение георадаров при инженерных изысканиях регламентированы ГОСТ 32868-2014, ОДМ 218.2.037-2013, ОДМ 218.4.030-2016, а также "Методическими рекомендациями по применению георадаров при обследовании дорожных конструкций" (РОСАВТОДОР, Москва 2003). В данном случае георадарное оборудование может обладать набором более универсальных функций: иметь возможность установки как на транспортное средство, так и на платформы для пешей съемки (рис. 2)

Достоинствами подобных систем являются возможности выполнения обследований плотной сетью створов прохода георадара на сравнительно большую глубину и в т.ч. в труднодоступных местах. Ограничениями решения является существенно меньшая производительность сбора данных и сложность производства работ в условиях транспортного движения, ограниченное время работы от портативных источников питания

nts3   nts4

Рисунок 2 – Георадарный комплекс с контактным антенным модулем

Вне зависимости от типа системы подповерхностного зондирования необходимо правильно выбрать центральную частоту антенных модулей с учетом решаемой задачи. В качестве руководящего правила при подборе антенны необходимо запомнить, что перед специалистом всегда стоит выбор: высокая разрешающая способность по глубине или максимальная глубина сканирования. Даже мультичастотные георадары, работающие по технологии ступенчатого изменения частоты с более широким диапазоном частот, имеют аналогичные ограничения выбора

В качестве примера для определения толщины слоев дорожных конструкций можно привести требования ГОСТ Р 58349-2019 (таблица 1), где определено соответствие центральной частоты диапазонам глубины сканирования

Таблица 1 - Центральная частота антенных блоков для измерения толщины слоев покрытия и основания дорожной конструкции

the central frequency of the antenna units of the GPR

Для более глубинных обследований с целью оценки однородности свойств грунтов целесообразно руководствоваться требованиями ОДМ 218.3.075-2016 (таблица 2)

Таблица 2 - Рекомендуемые частоты антенных блоков для оценки однородности свойств материалов и грунтов земляного полотна

Recommended frequencies of GPR antenna units

Погрешность и достоверность результатов георадарного обследования в первую очередь определяется методикой выполнения полевых работ. Несмотря на довольно подробные требования и рекомендации ГОСТ Р 58349-2019 и ОДМ 218.3.075-2016, на практике инженер всегда сталкивается с персонифицированными особенностями обследуемого объекта. В этом случае необходимо руководствоваться следующими общими правилами:

1. Подготовьтесь к выезду на объект заранее. Анализируйте и держите в памяти исходную информацию: результаты отчетов по инженерным изысканиям (тип и глубина залегания грунтов, УГВ, наличие специфических грунтов и опасных процессов), проектные решения (высота насыпи и глубина выемки, особенности устройства системы водоотвода, проектный поперечник), результаты диагностики (характерные дефекты), результаты анализа видеозаписи проезда с автомобильного видеорегистратора, картографических сервисов и т.п.

2. Всегда выполняйте рекогносцировочное обследование участка работ. Анализируйте рельеф местности и естественные пути миграции поверхностных вод, фиксируйте участки перехода насыпи в выемку и наоборот, местоположение водопропускных труб, наличие дефектов дорожного покрытия и земляного полотна, участки застоя поверхностных вод на дорожном покрытии и у основания земляного полотна, иные значимые особенности на объекте

3. Фиксируйте в журнал особенности погодно-климатических условий: температура воздуха, состояния сканируемых покрытий при выполнении работ после осадков

4. Если оборудование позволяет гибко настраивать параметры, подбирайте опытным путем временную развертку для достижения необходимой глубины сканирования. Шаг сканирования не должен быть слишком большим или очень частым для решаемых задач. При записи очень коротких георадарных профилей протяжённостью в несколько метров, например при обследовании элементов сборных конструкций, шаг санирования может быть в пределах первых миллиметров. При пешей съемке коротких по протяженности профилей в несколько десятков метров шаг сканирования высокочастотных антенн может быть в пределах первых сантиметров. Во всех остальных случаях при обследовании объектов протяженностью в сотни метров или несколько километров шаг сканирования может быть в пределах первых дециметров для любых типов антенн, однако не стоит делать шаг сканирования более 30 см для высокочастотных антенн

5. Чтобы не возвращаться собирайте максимально возможный объем данных и информации об объекте в отведенное на полевой период время. Зачастую избыточная информация существенным образом упрощает процесс камеральной обработки данных. Это совершенно не означает, что вся информация, собранная в полевых условиях, подлежит обработке и анализу. Но в случае спорных моментов будет являться резервным источником данных для установления объективной картины. Примером данного правила может послужить простое фотографирование места производства работ, когда в ходе камеральной обработки возникают вопросы идентификации привязок конкретного места или наличия артефактов на георадарном профиле непонятного происхождения (например, помехи от барьерного ограждения или припаркованного автомобиля)

6. Старайтесь не работать без координатной привязки. Даже подключив к георадару спутниковое оборудование низкого класса точности в ходе камеральной обработки будет общее представление о фактически пройденном расстоянии, где, в каких последовательностях и направлениях записаны георадарные профили. Используя спутниковое оборудование геодезического класса, при отсутствии возможности работы в режиме RTK, настройте приемник на передачу георадару информации о координатах в автономном режиме (например, по протоколу NMEA), параллельно записывая файлы полевых наблюдений (например, RINEX) на сам приемник. Записывая короткие прямолинейные георадарные профили без координатной привязки, фиксируйте координаты точек начала и конца профиля с помощью любого геодезического съемочного оборудования (тахеометр, спутниковое оборудование). Осуществляйте координатную привязку мест калибровочного бурения. Замеряйте высоту отрыва бесконтактной антенны от поверхности сканирования и обязательно фиксируйте расстояния смещения антенны георадара относительно антенны спутникового оборудования

7. По возможности выполняйте поперечные проходы георадара по автомобильной дороге от бровки до бровки, в случае высокого трафика и отсутствия специально организованного временного перекрытия движения записывайте данные в створе регулируемых и нерегулируемых наземных пешеходных переходов. При отсутствии возможности записать поперечный профиль используйте технику продольного параллельного профилирования

Наибольшее внимание стоит уделить вопросам камеральной обработки георадарных данных

До начала производства камеральных работ должны быть проанализированы исходные данные, а также собраны и систематизированы полевые материалы:

- записи журнала наблюдений о погодно-климатических условиях
- георадарные профили
- траектории движения георадарного оборудования по различным конфигурациям оборудования (разные антенные модули) и периодам записи данных
- параметры смещения антенн георадара относительно приемной антенны спутникового оборудования
- акты производства буровых работ и отбора проб (для калибровки толщины слоев)
- протоколы испытаний дорожно-строительных материалов (для оценки однородности свойств)
- цифровая модель ситуации и рельефа
- фотоматериалы.

Процесс камеральной обработки условно можно разделить на составляющие: предварительная и окончательная камеральная обработка

Предварительная камеральная обработка выполняется после георадарного обследования, но до работ по проходке выработок. В рамках указанной задачи оператор должен проанализировать георадарный профиль и найти на нем места отбора кернов или бурения скважин. Например, в соответствии с ОДМ 218.3.075-2016 важно выбрать участки на радарограмме, на которых искомые границы четко и однозначно отображаются, при этом рекомендуется отбирать керны (образцы) на участках с максимальной и минимальной толщиной слоя. В качестве примера на рис. 3 приведено изображение радарограммы, записанной антенным блоком с центральной частотой сканирования 1700 МГц на эксплуатируемом длительное время участке автомобильной дороги. В соответствии со шкалой глубин можно увидеть, что толщина пакета слоев асфальтобетонного материала находится в пределах от 10 до 23 см. Несмотря на то, что радарограмма представлена по довольно короткому участку протяженностью чуть более 500 м, очевидно наличие изменчивости толщины слоя. Аналогичная картина наблюдается и с нижележащими слоями (ЩПС, песок). В рамках георадарного обследования необходимо выбрать как места с относительно однородными границами раздела слоев, так и места с локальными уменьшениями и увеличениями толщины. Впоследствии необходимо вынести выбранные места на местности, чтобы осуществить калибровочное бурение в них

Justification of drilling sites

Рисунок 3 – Обоснование мест бурения

Поскольку ООО «ТИМ» использует в своей работе методику комплексных георадарных обследований, включающую точную геодезическю привязку данных, места бурения определяются с координатной привязкой. При производстве георадарных работ зачастую используется связка из георадарного оборудования серии Око-3 или TerraZond, а также программных комплексов GeoScan32, GeoLocator (для сбора данных) и GeoReader (для камеральной обработки данных). Все георадарные профили, записанные в ходе работ, загружаются в единую программную среду. Оператор поочередно открывает файлы георадарного проекта и намечает в них места будущих скважин. После чего создается текстовый файл с координатами проектных скважин. Указанный файл можно загрузить в ГИС для оценки равномерности распределения скважин вдоль трассы (рис. 4) или в контроллер спутникового оборудования для выноса и закрепления точек бурения на местности

The trajectory of the GPRРазными цветами можно обозначать разные типы выработок (керны, скважины, шурфы и т.д.)
Рисунок 4 – Траектория движения георадара с отмеченными местами бурения

Важно помнить, что не допускается самовольное изменение места проходки выработок инженерами по производству буровых работ, поскольку инженер камеральных работ назначил их в других местах и попросту не будет знать о факте смещения. Если на местности обнаружены ограничения, препятствующие выполнению буровых работ в заранее намеченных местах, инженеру полевику необходимо сообщить об этом в камеральное подразделение, по возможности согласовать новое место производства буровых работ и обязательно выполнить его координатную привязку. Данное правило должно безусловно выполняться как при продольном, так и поперечном переносе скважины, поскольку изменчивость дорожного конструктива может быть обусловлена как технологическими ошибками выполнения дорожно-строительных работ, так и проектными решениями. Например, в случае различий конструкции дорожной одежды по полосам движения и на укрепленной обочине это будет видно на поперечных георадарных профилях (рис. 5)

nts11   nts12

Рисунок 5 – Различие конструкции дорожной одежды по полосам движения и на укрепленных обочинах

Определение толщины слоев основания дорожной одежды лучше осуществлять по стенке выработки (шурф, скважина), поскольку это обеспечит минимальную погрешность измерения. На данное правило стоит обращать наибольшее внимание при операционном и приемочном строительном контроле, выполняя измерения по ГОСТ Р 58349-2019. В случае выполнения инженерных изысканий, толщину слоев можно определять по извлеченным из выработки образцам материалов и грунтов

Окончательная камеральная обработка выполняется после проходки и документирования выработок. Толщина слоев, определенная по результатам разрушающих методов, используется для калибровки георадарных профилей, но прежде стоит обратить внимание на обнаружение границ раздела сред

Интерпретация радарограмм, записанных контактными и бесконтактными антеннами, различается тем, что по-разному выполняется поиск сканируемой поверхности

При использовании контактных антенных блоков поверхность сканирования соответствует первым отражениям на радарограмме (рис. 6)

Interpretation of the scanning surface for a contact antenna

Рисунок 6 – Интерпретация поверхности сканирования для контактной антенны

При использовании бесконтактных антенных блоков поверхность сканирования соответствует второму отражению на радарограмме (рис. 7)

Interpretation of the scanning surface for a proximity antenna

Рисунок 7 – Интерпретация поверхности сканирования для бесконтактной антенны

Сравнивая сканируемую поверхность на рисунках 6 и 7 можно заметить, что у контактных антенн она ровная, а у бесконтактных – нет. Это связано с вертикальном качением бесконтактной антенны на подвеске автомобиля, поэтому допустимы колебания и отражающей поверхности на радарограмме

Границы, лежащие ниже сканируемой поверхности, являются границами раздела различных конструктивных слоев. Как правило структура слоев хорошо выражена на вновь устроенных дорожных конструкциях. На длительно эксплуатируемых автомобильных дорогах выделить слои обычно сложнее ввиду напластования границ со следами многочисленных ремонтов. Поэтому для установления более объективной картины о внутреннем строении дорожных одежд на таких объектах требуется больший объем бурения

Конечно, в рамках одной статьи невозможно учесть все аспекты правильного выполнения георадарных работ на автомобильных дорогах, поэтому единственно правильным решением является накопление и учет собственного практического опыта. Вместе с тем для получения качественного результата одного опыта недостаточно. Нужны удобные в работе и надежные инструменты

В свое время инженеры ООО «ТИМ» столкнулись с проблемой ограниченного выбора таких инструментов в нашей стране и пошли по пути создания собственного решения, имя которому – программный комплекс GeoReader. В чем же преимущества нашего решения и чем оно отличается от решений наших конкурентов?

Во-первых, при разработке программного комплекса GeoReader не стояла задача коммерциализации ПО. Весь набор возможностей и функций отвечал одной единственной задаче – сделать результат георадарного обследования максимально объективным. Этого требовали научные и коммерческие проекты, в которых в качестве исполнителей принимали участие наши инженеры и авторы программы

Используемые в ПО GeoReader приемы преобразования временного разреза в глубинный отличаются максимальной претенциозностью, что позволяет наиболее точно определять фактическую толщину слоев сканируемой среды, а в сочетании с подходом, аналогичным наиболее популярным САПР решениям в части масштабирования рабочей области, обеспечивается максимальная разрешающая способность по горизонтали и вертикали при векторизации границ слоев и точечных элементов

Важной особенностью ПО GeoReader является большой набор функций, позволяющих осуществлять высокоточную геопривязку георадарных профилей. Многие, кому приходилось работать с георадарными данными, знают, как сложно добиться реалистичных пределов разброса значений скорости распространения электромагнитной волны в одном и том же слое, но на разных участках. Нередко результаты бурения вносят противоречия в общую картину скоростей после калибровки георадарного профиля по выработкам. Это в первую очередь связано с неточным позиционированием скважин/шурфов и кернов на георадарном профиле. GeoReader – это не просто продукт, который обладает определенным набором технических возможностей для осуществления высокоточной привязки, но инструмент обнаружения грубых ошибок, допущенных в условиях полевых работ с георадаром. Кроме того, ООО «ТИМ» разработаны методики производства работ, которые являются максимально универсальными. Они не несут в себе цель продвижения продаж оборудования определенного производителя, а лишь помогают инженерам правильно собрать георадарные данные

Во-вторых GeoReader – это не «вещь сама в себе». Программный комплекс обладает широким набором возможностей по обмену данными с другими САПР и ГИС приложениями как в части импорта, так и экспорта данных. GeoReader активно развивает идею комплексных обследований при которых георадар не является единственным источником информации об объекте обследования. Не сегодняшний день реализована не только поддержка данных георадаров различного производства, но и интеграция с данными установок динамического нагружения FWD, передвижных диагностических дорожных лабораторий. GeoReader позволяет не только получать максимум информации из георадарных данных, но и осуществлять их совместный анализ с данными, полученными другими методами

В-третьих, GeoReader обладает набором наилучшего опыта, собранного по данным анализа отечественных и зарубежных программных продуктов. Например, GeoReader поддерживает данные такого георадарного оборудования как ОКО и Лоза. Вместе с тем каждый из брендов имеет собственное ПО для обработки данных, а инженерам ООО «ТИМ» известны возможности и ограничения каждого из программных продуктов. При разработке GeoReader были учтены все лучшие возможности штатного ПО георадаров ОКО и Лоза, а также дополнены новые функции, позволяющие делать обработку данных более удобными способами. При этом существуют возможности одновременного использования как штатного ПО георадаров ОКО и Лоза, так и GeoReader для решения большего набора задач

С учетом того, что отечественное георадарное оборудование в большей степени распространено на территории России, нежели зарубежное, за счет использования программного комплекса GeoReader появляются дополнительные возможности повышения эффективности результатов георадарного обследования. Что же касается зарубежных аналогов, то здесь можно отметить, что у отечественной продукции в условиях вынужденного импортозамещения за последние годы существенно выросло качество. GeoReader также как и другие российские продукты постоянно развивается с учетом общемировых трендов

Чтобы подробнее узнать о программном комплексе GeoReader предлагаем Вам направить в адрес post@geotim.ru анкету для получения trial версии, а также изучить презентацию: