跨孔地震CT技術(shù)在工程勘察中的應(yīng)用

楊永龍，褚金橋，吳迪帆，劉 偉

(1.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖北 武漢 430056;2.武漢市政環(huán)境工程建設(shè)有限公司，湖北 武漢 430056)

1 引 言

近年來(lái)，越來(lái)越多的城市規(guī)劃地鐵建設(shè)，向地下空間發(fā)展已然成為一種趨勢(shì)。地下工程項(xiàng)目日益增多，面臨的工程隱患也越來(lái)越多，其中尤以地下巖溶對(duì)地鐵建設(shè)和道路橋梁施工的危害最大[1,2]。巖溶發(fā)育區(qū)主要是分布在溶洞、斷層破碎帶或軟弱地層中，尤其在灰?guī)r地區(qū)較發(fā)育，如果不能及時(shí)排除潛在威脅，施工過(guò)程中可能會(huì)引起溶洞塌方、涌水等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，威脅人員安全[3,4]。傳統(tǒng)的物探方法如高密度電法由于場(chǎng)地限制，很難在城區(qū)大規(guī)模應(yīng)用；探地雷達(dá)由于探測(cè)深度的限制也很難適應(yīng)復(fù)雜的工程勘察；而層析成像技術(shù)能夠利用地下介質(zhì)的物性差異，通過(guò)地震波在地下介質(zhì)的傳播特點(diǎn)探測(cè)地下結(jié)構(gòu)及巖性，對(duì)地下結(jié)構(gòu)成像，從而探查可能存在的異常區(qū)。并且這種技術(shù)具有高分辨率、高效率等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于建筑、公路、鐵路等勘察中，常用的有地震波層析成像和電磁波層析成像[5-8]。由于巖石的地震波速度與巖性密切相關(guān)，便于利用地震波對(duì)介質(zhì)進(jìn)行成像，而巖石的電學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，與巖石裂隙中的流體密切相關(guān)，不利于刻畫構(gòu)造和巖性，而且電磁波在地下介質(zhì)中的速度由于太快而不易測(cè)量，衰減速度也遠(yuǎn)大于地震波衰減速度，探測(cè)深度非常有限[9-11]。因此在刻畫構(gòu)造和巖性方面，地震波CT優(yōu)勢(shì)比電磁波CT明顯，而在找水或者確定流體性質(zhì)方面，電磁波CT略勝一籌[11-13]。

20世紀(jì)70年代Chapman首次將醫(yī)學(xué)CT的原理應(yīng)用到地震勘探中，利用地震波在地下介質(zhì)中的傳播特征研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從此為地球物理學(xué)研究中的地震層析成像奠定了基礎(chǔ)。至20世紀(jì)80年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，地震層析成像理論以及數(shù)值模擬方法得到快速發(fā)展。至20世紀(jì)90年代，地震層析成像技術(shù)的應(yīng)用得到快速發(fā)展，并在地球物理勘探中得到了廣泛的應(yīng)用[14-16]。

本文結(jié)合跨孔地震CT技術(shù)研究現(xiàn)狀簡(jiǎn)述了基本原理，然后結(jié)合實(shí)例，總結(jié)了實(shí)際工作中跨孔地震CT數(shù)據(jù)采集過(guò)程中儀器的選擇原則、最佳測(cè)量孔距、觀測(cè)系統(tǒng)的布置方法以及室內(nèi)數(shù)據(jù)處理的基本流程，最后結(jié)合跨孔地震CT技術(shù)在橋梁基礎(chǔ)勘察中的應(yīng)用，分析闡述了跨孔地震CT技術(shù)在巖溶探查中的優(yōu)勢(shì)。

2 跨孔地震CT技術(shù)原理

跨孔地震CT技術(shù)又稱為地震層析成像技術(shù)，是利用地震波在地下介質(zhì)中傳播速度差異，這種差異體現(xiàn)在地震記錄上就是旅行時(shí)的差異，再結(jié)合地震波傳播規(guī)律轉(zhuǎn)換為速度進(jìn)行成像，從而精確刻畫地質(zhì)目標(biāo)的結(jié)構(gòu)和物性特征[17，18]。其主要工作方法就是在一個(gè)孔中單點(diǎn)激發(fā)地震信號(hào)，在另一個(gè)孔中多道接收地震信號(hào)，組成一個(gè)密集交叉的射線網(wǎng)絡(luò)(圖1)，然后處理地震記錄得到地震波走時(shí)信息，再通過(guò)迭代反演獲得速度分布，重建地下介質(zhì)的二維縱波波速圖像[19-21]。地震波走時(shí)與介質(zhì)速度的關(guān)系可以表示為：

圖1 跨孔地震CT觀測(cè)系統(tǒng)Fig.1 Cross-hole seismic CT observation system

(1)

式(1)中，dl是射線路徑長(zhǎng)度微分;ti是第i條射線的到達(dá)時(shí)間;v(x)是速度分布;R(v)是依賴于速度分布的射線路徑。可以看出，當(dāng)介質(zhì)速度發(fā)生變化時(shí)，地震波旅行時(shí)也會(huì)發(fā)生改變，將式(1)離散就得到式(2)。其中，lnm是第n條射線在第m個(gè)單元內(nèi)的路徑長(zhǎng)度；Sm是第m個(gè)單元的慢度；tn是第n條射線的旅行時(shí)。

(2)

Si=1/vi，i=1,2,3...,n

(3)

由于地震CT技術(shù)是在孔間進(jìn)行測(cè)量，更接近目標(biāo)體，避免了地表噪聲和強(qiáng)衰減風(fēng)化層的干擾，能夠獲得包含豐富目標(biāo)體信息的高頻記錄，可以得到空間高分辨率的地震資料。

3 野外數(shù)據(jù)采集儀器選擇

在進(jìn)行野外地震CT數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，主要使用的儀器有震源系統(tǒng)和地震信號(hào)接收系統(tǒng)。震源系統(tǒng)主要由震源激發(fā)元件和電纜組成，接收系統(tǒng)主要由水聽器和地震信號(hào)記錄儀以及微機(jī)系統(tǒng)組成。

3.1 震源激發(fā)系統(tǒng)選擇

井間地震震源激發(fā)不同于地表震源，需要能夠適應(yīng)不同的井眼，并且不具備破壞性，可移動(dòng)性較強(qiáng)，而且需要激發(fā)寬頻帶、激發(fā)性能可靠、可連續(xù)重復(fù)穩(wěn)定激發(fā)的彈性波。目前井間震源大致可以分為兩類，一類是脈沖型，一類是可控型，包括了爆炸、電火花、機(jī)械脈沖等，雖然它們可以依據(jù)不同的原理激發(fā)地震波，但是在穩(wěn)定性、適應(yīng)能力以及可靠程度上存在很大的差異，每一種方法都有一定的局限性。市場(chǎng)上常用的井間震源多為德國(guó)SWG1005型自動(dòng)電火花震源，可以產(chǎn)生1 000 J的能量，震源主頻高于500 Hz，適用于多次反復(fù)激發(fā)的情況，且輸出穩(wěn)定，激發(fā)性能可靠。

3.2 接收系統(tǒng)的選擇

井間地震信號(hào)接收系統(tǒng)雖然可以用常規(guī)VSP檢波器代替，但是仍然存在不足，因?yàn)榫聶z波器應(yīng)該是滿足高分辨率的多道同步接收裝置。目前常用的井下地震信號(hào)接收系統(tǒng)主要有多道水聽器電纜、單級(jí)或多級(jí)三分量檢波器三種類型。單級(jí)三分量檢波器主要根據(jù)常規(guī)VSP檢波器改進(jìn)而來(lái)；水聽器電纜是懸掛在井下從而接收液體的壓力擾動(dòng)，其采集效率非常高，響應(yīng)頻帶較寬，但是由于對(duì)管波的抑制能力較差，所以續(xù)至波中的干擾比較大，且很難消除；而多級(jí)三分量檢波器雖然能夠抑制管波，但是在記錄地震波的同時(shí)也會(huì)記錄機(jī)械簡(jiǎn)諧振動(dòng)，使得地震記錄中存在干擾，而且工作效率沒有水聽器電纜高。因此，在選擇井下地震信號(hào)接收系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況以及成像要求選擇合適的檢波器。目前，用得比較多的井下檢波器是德國(guó)AQ-2000型24道水聽器，頻響范圍為5～4 000 Hz。

4 觀測(cè)系統(tǒng)的布置

4.1 采集方式的選擇

井間地震數(shù)據(jù)采集一般分為單發(fā)單收或者單發(fā)多收兩種方式。無(wú)論哪種方式采集，最終都是對(duì)一條地震剖面進(jìn)行二維地震解釋或者是對(duì)多條地震剖面進(jìn)行三維地震解釋。目前最常使用的數(shù)據(jù)采集排列方式大致分為共激發(fā)點(diǎn)道集、共接收點(diǎn)道集、YO-YO道集和連續(xù)地震測(cè)井四種。實(shí)際工作中，為了提高工作效率，可以采用單孔激發(fā)多孔接收的模式采集地震數(shù)據(jù)。一般情況下，如果沒有特別要求，為了獲得高分辨率數(shù)據(jù)，井下地震數(shù)據(jù)采集排列布置在風(fēng)化層以下，而實(shí)際情況中，需要根據(jù)探測(cè)目的要求、現(xiàn)場(chǎng)條件、工期等因素而選擇合適的數(shù)據(jù)采集排列方式和采集模式。

4.1.1 共激發(fā)點(diǎn)道集

共激發(fā)點(diǎn)道集采用單發(fā)多收采集方式，即在一個(gè)孔中單點(diǎn)激發(fā)地震波，在其他孔中多點(diǎn)接收的排列方式，如圖2所示。這種采集方式適用于震源連續(xù)激發(fā)性能比較差且有多道檢波器的情況，具有采集速度快、工作效率高的優(yōu)點(diǎn)，但是在工作時(shí)，要求至少有一口作業(yè)井的深度超過(guò)目的層的深度，才能滿足要求。

4.1.2 共接收點(diǎn)道集

共接收點(diǎn)道集與共激發(fā)點(diǎn)道集相反，采用多發(fā)單收的方式，即在一個(gè)孔中移動(dòng)式多點(diǎn)激發(fā)地震波，其他孔中單點(diǎn)接收地震波，如圖3所示。這種采集方式適用于震源連續(xù)激發(fā)性能較好并且僅有單級(jí)檢波器的情況，但是這種采集方式工作效率不高，對(duì)井深也有要求。

4.1.3 YO-YO道集

YO-YO道集采用震源和檢波器反向移動(dòng)的排列方式采集地震數(shù)據(jù)，如圖4所示。這種采集方式適用于震源連續(xù)激發(fā)性能比較好，以及井深不符合要求的情況下，多用于反射波成像。

圖2 共激發(fā)點(diǎn)道集數(shù)據(jù)采集觀測(cè)系統(tǒng)Fig.2 Data acquisition and observation system of common shot point gathers

圖3 共接收點(diǎn)數(shù)據(jù)采集觀測(cè)系統(tǒng)Fig.3 Data acquisition and observation system of common receiving point gathers

圖4 YO-YO數(shù)據(jù)采集觀測(cè)系統(tǒng)Fig.4 Data acquisition and observation system of YO-YO gathers

圖5 連續(xù)地震測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集觀測(cè)系統(tǒng)Fig.5 Data acquisition and observation system of continuous seismic logging gathers

4.1.4 連續(xù)地震測(cè)井

連續(xù)地震測(cè)井采用震源和檢波器等間距同向移動(dòng)的排列方式采集數(shù)據(jù)，如圖5所示。這種采集方式適用于震源連續(xù)激發(fā)性能較好且單級(jí)檢波器的情況，但是工作效率不高而且對(duì)井深也有要求，主要用于解決地層的連續(xù)性問(wèn)題。

4.2 測(cè)量孔距的選擇

在進(jìn)行野外跨孔地震CT數(shù)據(jù)采集時(shí)，為了獲得高分辨率的數(shù)據(jù)，不僅需要合適的觀測(cè)系統(tǒng)，還需要選擇合適的測(cè)量孔距。如果測(cè)量孔距偏小，不僅會(huì)增大系統(tǒng)的觀測(cè)誤差，也會(huì)使得工作量加大，成本增加；如果孔距太大，地震射線需要穿透的區(qū)域也會(huì)越大，可能遇到的異常也會(huì)更多，射線路徑變化劇烈，很難將不同的異常區(qū)分開，降低了方法的垂向分辨率。因此，在實(shí)際跨孔地震CT數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，選擇合理的孔距是保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵。另外，由于跨孔地震CT成果上的空間分辨率取決于排列參數(shù)以及地震波走時(shí)的拾取精度，只有當(dāng)目標(biāo)體的速度異常導(dǎo)致的地震波旅行時(shí)差異大于走時(shí)拾取誤差時(shí)，才能夠通過(guò)跨孔地震CT識(shí)別出來(lái)?？臻g分辨率的理論公式為：

(4)

其中，Δrmin是最小空間分辨大?。籚a是異常區(qū)速度；Vb是基巖速度；Δt是地震波走時(shí)拾取誤差。由式(4)可知，目標(biāo)體的速度差異以及地震波走時(shí)的拾取誤差是影響空間分辨率的主要因素，而孔距的大小決定異常區(qū)域的大小以及地震數(shù)據(jù)的質(zhì)量。一般而言，孔距越大，地震波穿透的異常區(qū)域越大，速度異常越大，地震數(shù)據(jù)質(zhì)量相應(yīng)會(huì)更低。

5 數(shù)據(jù)處理流程

跨孔地震CT技術(shù)的核心是地震波射線追蹤和層析成像反演，其主要理論基礎(chǔ)是最短射線路徑射線追蹤算法(SPR)和聯(lián)合迭代重建技術(shù)(SIRT)。目前大多數(shù)的井間跨孔地震CT數(shù)據(jù)處理軟件均是根據(jù)以上算法構(gòu)思，通過(guò)獲得地震波走時(shí)，求解不適定線性方程組，再多次遞歸迭代反演，從而獲得地下介質(zhì)二維速度分布，重建地下介質(zhì)縱波速度圖像，如圖6所示。具體的數(shù)據(jù)處理流程可以分為以下步驟：

圖6 跨孔地震CT數(shù)據(jù)處理流程Fig.6 Flow chart of cross-hole seismic CT data processing

1)獲得共激發(fā)點(diǎn)道集，拾取地震波初至?xí)r間；

2)計(jì)算射線平均速度；

3)根據(jù)實(shí)際鉆孔資料以及計(jì)算出來(lái)的射線平均速度建立初始速度模型；

4)應(yīng)用CT反演軟件，利用拾取的地震波初至?xí)r間以及初始速度模型，選擇合適的節(jié)點(diǎn)間隔(小跨距剖面可以采用0.5 m×0.5 m間隔，大跨距剖面可以采用1 m×1 m間隔)，計(jì)算地震波旅行時(shí)差，建立反演方程，進(jìn)行迭代計(jì)算；

5)利用反演得到的速度模型，結(jié)合工程地質(zhì)剖面，繪制波速影像圖。

6 橋梁基礎(chǔ)勘察應(yīng)用

6.1 工區(qū)概況

工區(qū)主要分布第四系全新統(tǒng)淤泥、淤泥質(zhì)土、填土層、黏性土、砂土層以及第四系殘積土層，下伏基巖為石炭系石灰?guī)r層。擬建橋梁橫跨河流，地表水體發(fā)育，地下水主要有第四系孔隙潛水、巖溶水和基巖裂隙水，且場(chǎng)地巖溶發(fā)育，溶洞均位于地下水水位以下。根據(jù)已有鉆探資料可知，溶洞內(nèi)有充填物一般為砂或粉質(zhì)黏土且飽和含水，溶洞內(nèi)縱波波速在1 500～2 000 m/s之間，而溶洞外的灰?guī)r區(qū)域縱波波速在4 000～6 000 m/s之間，且洞外巖體較洞內(nèi)完整，導(dǎo)致溶洞內(nèi)外介質(zhì)存在極為明顯的波速差異。而正是這種差異的存在，為進(jìn)行跨孔地震CT提供了良好的物性條件。

6.2 數(shù)據(jù)采集

本次采用使用德國(guó)Geotomographie公司IPG1005高壓儲(chǔ)能發(fā)射器一臺(tái)，發(fā)射能量2 000 J，發(fā)射主頻大于1 000 Hz，時(shí)間一致性誤差小于0.010 ms。接收探頭采用高靈敏度12道串式檢波器2套，每個(gè)接收探頭均采用20倍集成運(yùn)算放大器進(jìn)行阻抗匹配、抑制道間串?dāng)_，頻率為5 Hz～-60 kHz。發(fā)射孔每隔1.0 m間距激發(fā)一次，接收孔水聽器以1.0 m間距設(shè)置接收點(diǎn),保證每一個(gè)激發(fā)點(diǎn)在接收孔中進(jìn)行全孔接收，孔間距均不超過(guò)20 m，測(cè)孔平面布置如圖7所示,其中虛線圈表示設(shè)計(jì)橋墩位置。實(shí)線圈表示實(shí)際的鉆孔位置，跨孔CT原始記錄如圖8所示，跨孔CT數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，初至清晰(如紅色短線標(biāo)記處所示)，信號(hào)質(zhì)量高。

圖7 設(shè)計(jì)橋墩及基礎(chǔ)鉆孔平面布置Fig.7 Layout plan of designed pier and foundation drilling

圖8 跨孔CT原始地震記錄Fig.8 Original seismic records of cross-hole CT

6.2.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量保證措施

1)為了保證數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量，應(yīng)該避開人工干擾源，對(duì)于行車干擾比較嚴(yán)重的地方，可以選擇在深夜采集，并且根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)增加疊加次數(shù)。

2)在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，應(yīng)該避開可能存在的人工電場(chǎng)(如高壓線、變電站)的干擾，如果無(wú)法避開，應(yīng)該適當(dāng)?shù)卦黾硬杉螖?shù)，并確保地線接觸良好。

3)當(dāng)電信號(hào)干擾比較嚴(yán)重時(shí)，可以選擇繞線的形式觸發(fā)，同時(shí)確保震源附近沒有多余的線圈，避免由于電磁感應(yīng)引起地震信號(hào)初至跳躍嚴(yán)重。

4)對(duì)于探測(cè)目標(biāo)是土洞時(shí)，由于土洞(尤其是有填充時(shí))與洞周圍的土速度差異不是特別大，而且土洞周圍的介質(zhì)密實(shí)程度呈現(xiàn)過(guò)渡形式，所以不宜選擇過(guò)大的測(cè)量孔距，一般在10～20 m的范圍內(nèi)，部分地區(qū)由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制可以選擇超過(guò)20 m的孔距，但是不宜超過(guò)30 m；對(duì)于探測(cè)目標(biāo)是巖溶區(qū)域的情況，由于溶洞和圍巖的速度差異特別大，所以孔距可以適當(dāng)增大，一般選擇10～30 m的范圍，部分地區(qū)由于現(xiàn)場(chǎng)條件的限制可以選擇超過(guò)30 m的孔距，但是不宜超過(guò)40 m，孔距過(guò)大，地震波衰減快，有效信號(hào)減弱，數(shù)據(jù)質(zhì)量難以保證。

5)淺地表由于風(fēng)化嚴(yán)重，土層松散，對(duì)地震波的吸收衰減很嚴(yán)重，導(dǎo)致記錄的地震波已經(jīng)嚴(yán)重失真，地震波走時(shí)雜亂無(wú)章難以辨別。因此，實(shí)際工作中，要求孔深最好是孔距的2倍，觀測(cè)范圍一般為從最淺的基巖面往上1/2孔距(并至少有不低于5 m土層)至孔底。激發(fā)和接收的點(diǎn)距不宜超過(guò)需要探測(cè)的最小目標(biāo)體尺寸，一般取1 m，如有特別要求可以適當(dāng)增大或減小激發(fā)和接收點(diǎn)距。

6)成孔深度應(yīng)該大于實(shí)際測(cè)量深度，且兩相鄰測(cè)試孔之間的高差不宜超過(guò)5 m，成孔后應(yīng)該保持孔內(nèi)干凈以保證有效測(cè)量深度。

6.2.2 數(shù)據(jù)處理及解釋

本次跨孔CT數(shù)據(jù)采用Geogiga XW Tomo軟件處理，通過(guò)拾取初至，然后建立模型進(jìn)行反演，最終得到速度影像(如圖9和圖10所示)。從圖9和圖10中可以看出，地震波CT能夠很好地反映地下介質(zhì)的速度差異。覆蓋層與基巖速度差異很大，在CT剖面上反映為低速區(qū)與高速區(qū)分界線明顯。由于巖溶發(fā)育區(qū)與基巖速度差異明顯，在剖面CT10、CT11、CT12、CT13上反映為速度色譜的突變，而這種突變區(qū)域就是巖溶發(fā)育區(qū)。 由圖9和圖10可以看出橋址區(qū)巖溶發(fā)育，溶洞詳細(xì)參數(shù)如表1所示。經(jīng)過(guò)與鉆孔資料進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)鉆孔揭示的實(shí)際地層信息與地震CT反演的推測(cè)結(jié)果吻合，充分說(shuō)明巖溶及裂隙發(fā)育的空間位置判斷準(zhǔn)確，從而為橋墩的設(shè)計(jì)施工提供了有效的地球物理依據(jù)。

圖9 CT10、CT11解釋剖面Fig.9 Interpretation profiles of CT10 and CT11

圖10 CT12、CT13解釋剖面Fig.10 Interpretation profiles of CT12 and CT13

表1 溶洞相關(guān)參數(shù)

續(xù)表1

7 結(jié) 論

1)跨孔地震CT技術(shù)在橋梁基礎(chǔ)勘察中的應(yīng)用表明，跨孔地震CT技術(shù)可以查明基巖面的埋深、起伏形態(tài)以及地下溶洞的位置和大小等信息。該技術(shù)確定了橋墩基礎(chǔ)持力層的軟硬程度，為樁基的設(shè)計(jì)、施工以及樁型的選擇提供了可靠的地球物理依據(jù)，為巖溶區(qū)域的施工和設(shè)計(jì)提供了安全保障，避免了工程隱患的發(fā)生，降低了工程造價(jià)。

2)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，為了確保數(shù)據(jù)質(zhì)量，應(yīng)該結(jié)合實(shí)際工區(qū)情況、探測(cè)目標(biāo)及精度，合理地選擇接收孔距和接收范圍。

3)在對(duì)跨孔地震CT數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋時(shí)，應(yīng)該結(jié)合鉆孔資料，避免由于誤差積累而導(dǎo)致的解譯偏差。