地震波CT技術(shù)在某客運專線巖溶橋梁樁位勘察中的應(yīng)用性研究

李紅剛 徐永明 關(guān)鳳琚 崔竹剛

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司, 天津 300251)

1 概述

近年來,我國客運專線建設(shè)取得了突飛猛進的發(fā)展,截止2010年1月,我國客專運線營里程有4 179 km,在建里程1萬多公里。橋梁是客運專線中的關(guān)鍵組成部分,而巖溶區(qū)溶洞發(fā)育程度直接關(guān)系到橋梁樁位的設(shè)計、施工和正常運營,加上巖溶橋梁鉆探工作量巨大、施工時間長,因此更準確、快捷的進行巖溶勘察顯得十分重要。以往巖溶勘探主要通過鉆孔揭露,但其揭露地層范圍小、施工難度大、施工時間長、經(jīng)濟成本較高,已很難滿足客運專線設(shè)計、施工的要求。

近年來,隨著勘探方法的完善和勘探手段的多樣化發(fā)展,結(jié)合物探和鉆探的綜合勘探手段得到了越來越多的關(guān)注和研究。而地震波CT技術(shù)作為一種新型的勘探方法,以準確、快速、經(jīng)濟等優(yōu)點而日益受到重視[1]。CT技術(shù)工作原理：首先在兩鉆孔中分別安裝發(fā)射與接收裝置,然后利用專門的儀器發(fā)射工作頻率大于1 MHz的地震波,再通過重建兩鉆孔間波速傳播圖像,并對不同介質(zhì)的波速進行對比分析,確定地下不同的介質(zhì)分布情況。該技術(shù)應(yīng)用到巖溶區(qū)勘探,能更快速、準確的檢測到溶洞的發(fā)育規(guī)律和分布情況,極大地提高勘察的效率和節(jié)省成本,從而加快設(shè)計和施工工期,更好的保證鐵路運營期間的安全。

2 地震波CT勘探技術(shù)基本原理

2.1 地震波CT技術(shù)理論

地震波CT技術(shù),又稱計算機層析成像技術(shù),是利用地震波在不同介質(zhì)中速度傳播(或被吸收多少)的差異,通過層析成像的方法對地震波數(shù)據(jù)進行處理,來重建介質(zhì)體內(nèi)速度分布(或吸收分布)的圖像, 然后來推斷剖面介質(zhì)的構(gòu)造及地質(zhì)異常體的位置、形態(tài)和分布狀況。

本文采用的巖溶樁位CT檢測模型如圖1所示,設(shè)有兩鉆孔,ZD-1為發(fā)射孔,ZD-2為接收孔,沿兩孔不同深度布置的發(fā)射點和接收點分別為(S1,S2…Sn)和(R1,R2…,Rn)。首先把兩鉆孔之間的L×K斷面劃分成橫縱等面積的小方格,實現(xiàn)透視空間的離散化。對每個小方格進行編號,它們分別為1,2,3…,m。

圖1 CT技術(shù)傳播原理

設(shè)xj為第j個方格的地震波速度的倒數(shù)(稱為地震波慢度),對于每條地震波射線都可以寫成一條射線方程

a1x1+a2x2+…+amxm=t1

(1)

對于m條地震波射線方程可為

(2)

其中x=1/v

(3)

式中：ti是第i條射線的地震波到達時間；ai是該射線在第j號方格中的長度[2]。

如果分別在兩鉆孔的不同深度激發(fā)(發(fā)射)、接收n次,便可得到n個射線方程,寫成矩陣形式則為

或簡寫AX=t

(4)

通過求解式(4)就可以得到每個小方格內(nèi)的地震波慢度值,分別取其倒數(shù)即得到鉆孔間彈性波速度值分布圖。一般的求解方法有聯(lián)合迭代法(SIRT法)和阻尼迭代法兩種,由于聯(lián)合迭代法收斂速度較快,一般通過該方法進行反演、迭代,求得鉆孔間彈性波速度值,對速度場進行重建,就可以得到速度場的CT速度分布圖像。

2.2 地震波CT勘探原理

由式(4)可知,彈性波在介質(zhì)中傳播時,不同介質(zhì)對波的吸收、反射、透射不同,使得重構(gòu)后的地震波速度場的CT分布圖像呈現(xiàn)不同的變化。眾所周知,巖土體并非理想的彈性介質(zhì),土層一般含有很多空隙,而基巖則發(fā)育節(jié)理裂隙、破碎帶或溶洞等。因此，在彈性波的傳播過程中,由于受到巖性、地層的物質(zhì)組成成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等的影響,導(dǎo)致波在傳播過程中被吸收,進而影響到其振動強度衰減[3～4]；一般來說,巖土越疏松、裂隙越發(fā)育,波的吸收與衰減越大,導(dǎo)致波速值越小[5]。

巖溶勘探正是基于以上原理,當?shù)卣鸩ㄍㄟ^完整的灰?guī)r區(qū)時,巖體致密完整,對波速影響較小,波速變化不明顯；而當通過土層、溶洞或裂隙發(fā)育區(qū)時,由于該類異常區(qū)域?qū)Σㄎ蛰^多,導(dǎo)致波速發(fā)生明顯減小。通過對地震波速度場進行重建,就可以得到反映不同區(qū)域速度高低的CT圖像,從而能清晰、直觀的反應(yīng)出溶洞、裂隙發(fā)育區(qū)等異常特征,探測系統(tǒng)及觀測原理如圖2所示。

圖2 CT技術(shù)探測系統(tǒng)及觀測原理示意

3 工程實例

3.1 工程概況

某客運專線為國家鐵路網(wǎng)規(guī)劃中的重要組成部分,其中一段線路方案通過巖溶區(qū)地段占線路總長的44.2%,僅在施工圖階段,橋梁區(qū)巖溶鉆探計劃勘探量近百萬延米,這給鉆探工作和工程工期造成巨大壓力。為此,在保證地質(zhì)資料的準確性的前提下,為了降低鉆探工作量、加快勘探進度,迫切需要一種準確、快速、經(jīng)濟的勘探手段。因而,在勘探過程中大量采用了地震波CT技術(shù)對巖溶橋梁樁位進行勘探,取得了良好的應(yīng)用效果。

3.2 CT檢測現(xiàn)場布置

該客運專線橋梁墩臺形狀為長方形,長寬一般不超過15.9 m×10.3 m,樁間距4.0 m左右。為盡量準確的查明墩臺下方的溶洞發(fā)育情況,需要一個合理、經(jīng)濟的布置方案。某橋4號墩,共8根樁,設(shè)計鉆孔45 m/樁,計劃采用逐樁鉆探,后采用結(jié)合CT技術(shù)的綜合勘探方法,設(shè)計4個鉆探孔,其余4個鉆孔通過CT勘探,既可以降低一半的鉆探工作量,又節(jié)省了勘探時間。鉆孔、樁位及CT透視平面布置見圖3。

圖3 某橋樁基及CT探測孔布置

在使用CT技術(shù)勘探時,首先是先對墩臺的四角樁進行鉆孔勘探,然后下保護設(shè)備PVC管,做好傳感器和信號線的選擇、埋設(shè)、保護及鉆孔封閉等工作細節(jié)。然后以每兩孔為一對做CT檢測,改墩臺做兩對即可。

3.3 CT反演成果分析、驗證及應(yīng)用

由于兩孔0～4.25 m范圍內(nèi)均為干孔,激發(fā)和接受條件較差,無法采集到信號數(shù)據(jù),故接收激發(fā)段和接收段分別從4.25 m以下開始。通過專門的儀器采集CT檢測數(shù)據(jù),然后對CT剖面進行數(shù)據(jù)反演層析成像,得到10-ZD-01與10-ZD-02兩孔間的波速影像色譜分布(圖4)。

圖5 綜合勘探方法得出墩臺展示(灰?guī)r部分充填)

圖4 某墩CT波速色譜分布和地質(zhì)剖面

由前面理論可知：土層、溶洞、破碎帶等對地震波的吸收系數(shù)比完整基巖大,反映在色譜影像圖上就是速度明顯降低。通過分析圖4可知,該剖面波速圖像大致可分為三個速度帶；并根據(jù)波速在不同介質(zhì)中(如土層、巖溶裂隙,溶洞發(fā)育帶和完整基巖)傳播速度對比值,并結(jié)合鉆孔資料,可將該剖面地質(zhì)情況解譯如下：①波速小于3.2 km/s的低速區(qū),顯示為綠色(Ⅰ區(qū)),該層一般不厚,大概3～5 m,為表層相對松散的土層；②波速大于4.0 km/s的高速區(qū),紅色(Ⅳ區(qū))為完整基巖,暗紅色(Ⅱ區(qū))為裂隙發(fā)育區(qū)(或風(fēng)化嚴重)的基巖；③波速介于2.3～3.2 km/s低速帶,顯示為綠色,該層位于高速區(qū)內(nèi),為溶洞(Ⅲ區(qū))及溶洞充填物。

通過對比圖4(b)的鉆孔剖面圖可知,CT圖像揭示的巖土分界面、溶洞底板深度與鉆孔大部分一致,只有一處揭露溶洞頂板深度比鉆孔淺0.45 m；而且與鉆探相比,CT方法更好的反映了基巖面的起伏狀態(tài),以及溶洞的大小和發(fā)育規(guī)律,并直觀的反應(yīng)了裂隙發(fā)育區(qū)的范圍。通過對比可知,兩者是吻合的,相互互補,將其聯(lián)合應(yīng)用于巖溶區(qū)的勘探比單獨使用一種方法更有效、更具優(yōu)勢。

同理通過CT技術(shù)可以得到該墩臺的另外一個剖面圖。綜合鉆孔資料和CT剖面圖,可以得到整個墩臺的展示(圖5)。由圖5可知,該墩臺資料比較詳細、準確的揭露了實際地層情況,不僅反映了鉆探成果,而且通過CT技術(shù)探明了溶洞在該墩臺水平和垂直方向的發(fā)育情況,比純粹鉆探更詳盡的揭露了地層情況,并減少了重復(fù)的財力和物力消耗,節(jié)省了鉆探時間,及時為設(shè)計專業(yè)提供比較詳細的地質(zhì)資料,保證了工程設(shè)計和施工的進度。

4 結(jié)束語

通過總結(jié)和研究CT技術(shù)在該客運專線橋梁樁位勘察中的應(yīng)用,得到如下的結(jié)論：

(1)該技術(shù)在巖溶勘探中的應(yīng)用是成功的,不僅直觀明了的揭露了巖溶的發(fā)育情況和巖土分界面,而且揭示了裂隙破碎帶等更多、更廣的地層信息,為工程設(shè)計提供了更可靠的依據(jù)。

(2)對巖溶發(fā)育的地層,通過鉆探方法與CT技術(shù)相結(jié)合的綜合勘探方法,更詳盡的探明了基巖起伏面情況、溶洞的延伸情況,并減少了重復(fù)的財力和物力消耗,節(jié)省了鉆探時間,保證了工程設(shè)計和施工的進度。

(3)由于地質(zhì)條件多復(fù)雜、未知,導(dǎo)致彈性波速度變化與諸多因素有關(guān),不能單憑波速變化來推斷具體地質(zhì)變化情況；必須針對不同地區(qū)具體情況依靠該區(qū)域地質(zhì)資料,結(jié)合不同巖性的波速變化情況,并綜合地質(zhì)鉆探資料,明確探測目標與物理量異常之間的相關(guān)性,才能得出更加準確、可靠的CT成果,提出準確的地質(zhì)資料。

[1]張平松，劉盛東，吳榮新.地震波CT技術(shù)探測煤層上覆巖層破壞規(guī)律[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23(15):2510-2513

[2]王振東.淺層地震勘探應(yīng)用技術(shù)[M].北京：地質(zhì)出版社，1994

[3]張 杰，沈霄云，劉明貴.智能化樁基超聲波CT檢測系統(tǒng)研究[J].巖土力學(xué),2009(3)

[4]程久龍.巖體破壞彈性波CT動態(tài)探測試驗研究[J].巖土工程學(xué)報,2000,22(5):555-568

[5]李大心.探地雷達方法與應(yīng)用[M].北京：地質(zhì)出版社，1994