跨孔地震CT在井間巖溶勘察中的應用

張連偉 唐筱眸 周海濱

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300251)

1 地質及地球物理概況

該新建鐵路沿線多以丘陵、中低山地貌為主,地質構造復雜,巖溶發育以覆蓋性巖溶為主。

發育地層為泥盆系到白堊系的灰巖、白云質灰巖、礫巖(礫石成分為灰巖),巖溶及裂隙發育程度不均勻,從微弱發育到強烈發育都有。溶洞中多數具有充填物或含水,以粉質黏土、角礫土等為主。

根據同類工程經驗,該區灰巖的縱波波速Vp在4 000～6 000 m/s之間,飽和含水土層的縱波波速Vp在1 500～2 000 m/s之間。基巖與土層之間存在極為明顯的波速差異,提供了較好的物性條件,具備了開展跨孔地震CT方法的地球物理條件。

2 跨孔地震CT原理

2.1 工作方法原理

跨孔地震CT技術也稱地震波層析成像技術,經常用作高精度孔間地層成像探測。它是在第一個孔內發射器發射地震波到達第二個孔內后被檢波器接收,數據傳輸到地震記錄儀中保存以做后處理分析,把地震波傳播路徑疊加后成像,這種方法類似于醫學CT方法。可成功用于巖石(或礫石、沙層))土層(包括軟土)等各種地層。依據波在不同介質中傳播速度的差異,將接收到的信號轉化成波速進行CT成像處理,可精確描述井間地質目標體的幾何形態和物理特性。波走時與介質速度的分布關系可用如下方程表示

式中：V(x)是介質的速度分布,R(v)是依賴于速度分布的射線路經。

由上式可見,當介質的地震波速度發生變化時,其走時也隨著發生改變。將多條通過介質的地震波射線走時提取出來,反算出介質的地震波速度,從而再重建介質的地震波速度空間分布圖像。

2.2 層析成像技術

地震CT的核心技術是地震波射線追蹤方法和層析成像反演算法,目前國內外應用廣泛且較為成熟的是基于惠更斯原理和網絡理論的最短路徑射線追蹤法(SPR)和聯合迭代重建技術(SIRT算法),可以實現高精度彎曲射線CT。國內外多數井間地震波層析成像軟件均采用以上算法,通過求解大型的、稀疏的和不適定線性方程組,進行遞歸迭代反演,從而得到被探測區域的二維速度分布值,重建地下介質的縱波波速圖像,并用速度色譜圖描繪出來。

3 外業數據采集及資料處理

3.1 儀器設備

此次測試工作采用美國Geometrics公司NZ24型淺層地震儀、德國SWG1005型電火花震源和AQ-2000型24道水聽器,震源主頻高于500 Hz,傳感器頻響范圍為5～4 000 Hz,接收儀器頻響為10～4 000 Hz。

3.2 工作方法

先在鉆孔1中某一位置處激發彈性波,并在鉆孔2中n個等間隔位置處接收,可測得n個彈性波旅行時；然后,按一定規律移動激發點或接收點的位置,直到完成預先設計好的觀測系統(見圖1)。

圖1 跨孔地震CT觀測系統示意

若整個觀測系統共激發m次,則可測得m×n個彈性波旅行時,據此信息,利用計算機作反演計算,即可得到被檢測體內部的波速圖像 。

實際工作中孔深最好是孔距的2倍,孔距不大于25 m,觀測范圍宜選擇自最淺基巖面以上1/2孔距,并不少于5 m的土層至孔底。

3.3 資料處理流程

本次資料處理具體操作按以下步驟進行。

①抽道集：將每對跨孔CT的全部原始數據重排成共激發點道集。

②共激發點道集檢查：檢查數據錄質量,發現問題進行重新觀測。

③初至拾取：拾取全部共激發點道集各接收點的初至時間,初至時間的正確拾取對數據反演結果至關重要。

④射線平均波速計算：初步計算各射線平均波速,發現平均波速偏離正常范圍,分析偏離的原因。

⑤初始速度模型預測：按鉆孔情況和射線平均波速,建立預測速度模型；

⑥CT反演：根據初始速度模型和初至時間,應用CT反演軟件,選擇0.5 m×0.5 m的節點間隔(小跨距的剖面)或1.0 m×1.0 m的節點間隔(大跨距的剖面),進行疊代計算。

⑦波速影像圖繪制：根據反演得到的速度模型,以100 m/s速度間隔進行色分,疊加工程地質剖面圖,制作波速影像圖。

⑧跨孔地震CT反演波速影像及綜合地質解釋剖面圖繪制：以波速影像圖為背景,疊加鉆孔資料、物探地質解釋成果,繪制包含巖土分層、基巖起伏形態、溶洞邊界的綜合解釋地質剖面。

4 應用實例分析

跨孔地震CT在新建鐵路線橋梁樁基礎勘察中基開展了大量的測試工作。在橋梁樁基礎設計中,一般根據不同的承載力設計為樁數和樁距不同的工程類型。在開展跨孔地震CT測試中,根據樁基礎內不同的樁孔及鉆孔位置,設計相應的觀測系統。以某特大橋橋址54號樁基礎為例(見圖2),基礎內鉆孔揭示該地區巖溶弱發育或中等發育,先對該區鉆探資料及波速影像圖進行充分的綜合分析、對比,確定該地區各類巖土層的波速范圍及地質特征(見表1)。

圖2 某特大橋54號樁基礎鉆孔及測線平面示意

表1研究區內巖土層彈性波速

物探分區跨孔彈性波波速/(m/s)鉆孔巖芯特征完整灰巖≥4500鉆探中巖芯完整,呈長柱狀,短柱狀,無溶洞溶蝕裂隙發育區2500～4500鉆探中巖芯呈短柱狀或碎塊狀,或見溶蝕、裂隙發育現象。局部見規模較小(幾十厘米以內)的小溶洞巖溶1500～2500鉆探中見規模較大的溶洞或串珠狀的溶洞,多為泥充填覆蓋層≤2500基巖面以上的區域,飽和含水,部分可能存在有孤立的風化殘余巖塊

從圖3中的跨孔地震CT反演解釋剖面圖中可以看出,基巖與覆蓋層在波速上差異明顯,在高程-2～10 m之間,剖面L1、L2、L3、L4均存在一明顯的帶狀低速帶,結合鉆孔資料推斷為礫巖中夾有一層軟弱的粉砂巖。在高程-4 m左右,礫巖巖石中存在相對較低的低速區,因礫巖成分中含有灰巖成分,推斷位不同程度的溶蝕裂隙發育。經過驗證,鉆孔揭示實際地層與地震CT反演結果吻合,充分說明巖溶及裂隙發育在空間位置的準確,從而為墩臺設計提供豐富的勘察資料。

圖3 某特大橋54號樁基礎跨孔地震CT反演解釋剖面

圖4為某特大橋7號樁基礎平面示意,剖面線由ZK-1、ZK-2、ZK-5、ZK-10鉆孔組成。圖5為7號樁基礎跨孔地震CT反演解釋剖面,經過對比分析,劃分出巖層界線。可以看出，在ZK-5、ZK-10兩孔分界位置對應地層連續。也同時說明了反演結果符合地層規律。基巖以下位置中存在明顯的低速帶區域,呈不同傾向的條帶狀分布,分布范圍較大。根據鉆孔揭示的地層推斷低速帶為巖溶裂隙發育區。

圖4 某特大橋7號樁基礎鉆孔及測線平面示意

圖5 某特大橋7號樁基礎跨孔地震CT反演解釋剖面

在此次跨孔地震CT技術的應用當中,數據處理中初至時間盡管在軟件設計當中存在智能拾取,但是往往隨機性較大,需要加強人工干預判斷正確的時間記錄點,這也是工作流程中影響數據反演結果的重要環節，應結合施工區區域地質、地球物理特征，劃分合理的波速范圍與地質特征相對應。實際工作中需要結合不同的地質情況,不同巖性的巖層巖溶發育特點綜合考慮，充分利用鉆孔揭露的地質情況,從跨孔地震CT反演解釋剖面圖中準確地判斷波速異常位置及地質體類別，從而提高成果解釋精度,提供可靠的地球物理及地質信息。

5 結束語

采用跨孔地震CT技術,有效利用鉆孔布置合適的觀測系統,正確合理的處理和解譯資料,可以補充鉆孔之間的地球物理信息。彌補了單一靠鉆孔提供的以點帶面的地質信息。通過本次在長昆線大量的工作試驗,與既有鉆孔和驗證鉆孔對比,實際地質情況與地震CT反演結果具有較高的吻合度。

[1]何樵登,韓立國,朱建偉,等.地震波理論[M].長春:吉林大學出版社，2005

[2]何樵登,熊維綱.應用地球物理教程：地震勘探[M].北京:地質出版社,1991

[3]張賽民.跨孔地震層析成像研究[D].長沙：中南大學，2003

[4]孟憲波,王 銀.地震CT在哈大客運專線巖溶探察中的應用[J].鐵道勘察,2008(6)

[5]周海濱,李志華.困難條件地形下地震反射在煤礦采空區的技術研究[J].鐵道工程學報,2010(2)

[6]侯 勇,王蓉川.巖溶地區樁基礎施工[J].鐵道工程學報,2010(3)

[7]瞿 辰,楊文采.于常青.高分辨率過井地震層析成像的級聯算法及其應用[J].物探與化探,2010(5)

[8]張旻舳,師學明.電磁波層析成像技術進展[J].工程地球物理學報,2009(2)

[9]張連偉,郝 明，童孝忠.Matlab工具箱在大地電磁測深二維正演中的應用[J].鐵道勘察,2007(1)

[10]譚衢霖,魏慶朝,楊松林,等.鐵路工程地質遙感雷達圖像應用分析[J].鐵道工程學報,2009(8)