跨孔地震CT在地鐵巖溶的應(yīng)用研究

張騰飛

(西南交通大學(xué), 四川成都 611756)

巖溶是威脅工程施工安全的重要因素。本工程位于某市地鐵盾構(gòu)區(qū)間，根據(jù)詳勘揭示的巖溶發(fā)育狀況，本段為強烈?guī)r溶發(fā)育區(qū)。隧道主要穿過中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r和溶洞。為避免施工過程中發(fā)生坍塌、涌水等工程事故，需要及時查明溶洞的分布、埋藏深度和發(fā)育程度等。

如果用常規(guī)地面物探方法，如高頻電磁波法，軟弱覆蓋層及巖溶充填物會吸收電磁波能量，電磁波能量衰減迅速，此時探測深度達不到要求；直流電法因受到表面高阻層如水泥或瀝青路面屏蔽傳導(dǎo)電流的影響，探測效果也不好。相比較而言，跨孔地震CT 技術(shù)在基巖中激發(fā)彈性縱波，由于鉆孔的存在，探測深度基本不受影響，勘探的準(zhǔn)確性也有很大的保證。除此之外，跨孔地震CT技術(shù)可對鉆孔間的巖土體進行依次掃描，并對目標(biāo)探測區(qū)內(nèi)介質(zhì)的波速成像，使得孔間異常體能在圖中直觀地表現(xiàn)出來[1]。因此利用地震CT技術(shù)探測巖溶及軟弱不良地質(zhì)體分布是一種有效的方法。對跨孔地震 CT 技術(shù)來說，成像分辨率是制約解釋精度的重要因素。它既受激發(fā)頻率、觀測系統(tǒng)等硬件性能的影響，也受反演軟件的影響[2]。針對石油物探的反演軟件已得到廣泛應(yīng)用，從走時反演的發(fā)展來看，其核心算法從分辨率極低的反投影技術(shù)(BPT)，過渡到以聯(lián)合迭代重建技術(shù)(SIRT)和正交分解(LSQR)為代表的迭代法[3-4],目前針對工程物探的反演軟件在近些年的發(fā)展中也得到了很大的應(yīng)用。2009 年李曙光[5]和李天琪等[6]在巖溶勘察中利用了井間CT技術(shù)，并取得了良好的應(yīng)用效果。2010 年白文勝將井地地震CT技術(shù)與地面折射法相結(jié)合對 FAST 的臺址的洼地進行了勘探，結(jié)果顯示物探在對臺址洼地探測中發(fā)揮了重要作用[7]。2012年，葉月明等研究了基于小波束算子的井間地震CT技術(shù)[8]。

跨孔地震CT技術(shù)，由于是在兩個鉆孔之間進行激發(fā)與接收，因此采集到的數(shù)據(jù)信噪比很高，可靠性高，并且與傳統(tǒng)的物探方法相比，有明顯的優(yōu)越性，更加經(jīng)濟。通過和相應(yīng)的鉆孔資料相對比，跨孔地震 CT 結(jié)果具有很高的精度，并且能夠直觀圈定出巖溶位置范圍及其發(fā)育分布形態(tài)，為工程建設(shè)提供了可靠的依據(jù)。近些年來地震CT技術(shù)在城市巖溶探測方面有了長足的進展，如南京地鐵、武漢地鐵、福州地鐵均有相關(guān)應(yīng)用，具有良好效果。

1 跨孔地震CT層析成像原理

跨孔地震CT層析成像(簡稱地震CT)在巖溶勘察中的應(yīng)用,是基于完整灰?guī)r與巖溶(包括充填物)溶蝕裂隙及上覆土層之間存在明顯的縱波波速差異。這種波速差異是在巖溶發(fā)育地區(qū)開展地震CT勘察良好的地球物理前提。

根據(jù)不同的巖體彈性參量不同，傳播速度也就不同,巖土體縱波傳播速度可按下式計算：

式中，VP為縱波速度；E為介質(zhì)的楊氏彈性模量，ρ為介質(zhì)的密度；μ為介質(zhì)的泊松比。由于不同巖土體的楊氏彈性模量，密度及泊松比均存在差異，利用這一規(guī)律，當(dāng)射線穿過被探測目標(biāo)體時，將產(chǎn)生一個旅行時差，再根據(jù)地震波旅行時差特征和合適的反演模型即可判斷震源與接收點間的巖土體情況(圖1)。

圖1 地震CT技術(shù)的工作示意

2 跨孔地震CT法探測巖溶

2.1 場地工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

某市地鐵5號線巖溶段第四系覆蓋層厚 5～29 m，主要為第四系全新統(tǒng)海積層(Q4m)、全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)、殘坡積層(Qdl+el)，基巖為燕山期侵入巖輝綠巖(βμ)、震旦系甘井子組(Zwhg)白云質(zhì)灰?guī)r、震旦系南關(guān)嶺組(Zwhn)灰?guī)r、震旦系長嶺子組(Zwhc)鈣質(zhì)板巖、板巖夾泥灰?guī)r。基巖全強風(fēng)化帶厚度變化較大，中等風(fēng)化基巖埋深介于5.5～46 m之間。

地下水共有兩種存在方式：賦存于雜填土、粉土、細(xì)砂、卵石層中的松散巖類孔隙水，補給來源為海水及大氣降水，水量豐富。賦存于基巖裂隙、巖溶裂隙或溶洞中的基巖裂隙水和巖溶水，補給來源為海水，水量較豐富。場區(qū)地下水與海水相連，地下水位受海水潮汐變化影響

2.2 觀測系統(tǒng)布置

觀測系統(tǒng)的布置與巖溶發(fā)育區(qū)的不良地質(zhì)體的大小有關(guān)。本次工程的盾構(gòu)機重心為5 m，考慮CT物探盲區(qū)應(yīng)控制在4.5 m以內(nèi)。按照下圖進行CT測線布置?？紤]到盾構(gòu)機的直徑，只需要有1 m 的分辨率所以其檢波器的道間距設(shè)置為1 m(圖2)。

圖2 鉆孔及測線布置示意

2.3 參數(shù)設(shè)置

參數(shù)的選取和現(xiàn)場的實際情況相關(guān)，本次探測區(qū)域兩鉆孔間跨度約15 m，鉆孔完成后需要用PVC管進行預(yù)處理，防止塌孔，并在孔底進行密封，對管內(nèi)進行灌水處理，以增強檢波器串的耦合效果。由于本次勘測地區(qū)巖溶發(fā)育較強，遂采用5 000～7 000 J的震源作為實測震源，根據(jù)現(xiàn)場情況，在巖溶發(fā)育極為強烈的地段采用雙電容箱加大震源激發(fā)能量，以此提高信噪比。

地震波激發(fā)采用縱波放電激發(fā)探頭，激發(fā)能量為5 000 J。地震波接收采用24道檢波器串，每個檢波器間距為1 m 。探測過程中,將激發(fā)震源從孔底至孔口依次上提1 m ，激發(fā)點距為1 m，每5或10 m需要驗證震源點的位置以保證探測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.4 實測數(shù)據(jù)處理

實驗現(xiàn)場孔深約40 m，對于數(shù)據(jù)的處理先根據(jù)現(xiàn)場的參數(shù)設(shè)置進行記錄選排，再進行初至波的拾取工作，根據(jù)得到的初至波時長，進行反演分析(圖3)。

圖3 地震初至波拾取示意

2.5 反演圖像分析

某測線巖溶反演圖及巖溶范圍圈定圖見圖4。

圖4 某測線巖溶反演圖及巖溶范圍圈定(波速/(km·s-1))

一般我們認(rèn)為完整灰?guī)r區(qū)域的波速大于4 500 m/s，灰?guī)r裂隙區(qū)域的波速為2 800～4 500 m/s，上覆土層及巖溶充填區(qū)波速小于2 800 m/s 。

由反演圖像及前期所得到的鉆孔巖芯巖性，可以對巖溶發(fā)育區(qū)的不良地質(zhì)體進行范圍圈定，對于黑色區(qū)域部分(波速小于2 800m/s)，該部分波速明顯與周圍巖土體波速不同，一般考慮為充填淤泥或水的巖溶洞穴，對于充填淤泥或充水巖溶洞穴應(yīng)在施工中特別注意；上圖所示灰色部分(波速2 800～4 500 m/s)一般認(rèn)為是巖溶強風(fēng)化區(qū)域；對于(波速大于4 500 m/s)一般認(rèn)為是完整基巖段,如圖中完整灰?guī)r區(qū)域。

3 結(jié)論

(1)地震跨孔CT層析成像技術(shù)的測試結(jié)果精度較高，能有效反映區(qū)間地層信息。雖然存在一定的誤差，但對于地下巖溶、軟土地層等不良地質(zhì)體的探測能夠滿足隧道施工需求，可應(yīng)用于隧道盾構(gòu)前期預(yù)報中。

(2)數(shù)據(jù)反演結(jié)果的真實性和有效性直接影響目標(biāo)體的探測精度，尤其是目標(biāo)體范圍的探測。在這方面對于反演的物理模型有比較高的要求，且地球物理探測具有多解性，除單一的跨孔地震CT方法外，對于巖溶等不良地質(zhì)體的位置圈定需要根據(jù)地質(zhì)鉆孔等其他地質(zhì)資料的相互印證。