基于地震CT的地鐵工程鉆孔詳查技術研究

侯偉清 葉 英

(北京市市政工程研究院，北京 100037)

我國目前正處于地鐵建設的高峰期，必然帶來大規模的地鐵勘察工作。一般地鐵埋深在20～30 m左右，勘察難度在于需要考慮較多的城市環境問題，以及淺部管線、交通等。地震CT技術作為一種物探技術，如今越來越多的應用在工程領域中，通過將地震CT技術與鉆孔相結合，并結合透射法及反射法，研發一套地震CT空間探測系統。

1 研究背景

1.1 地層劃分

地鐵勘察中，由于采用鉆探取樣及室內試驗或靜力觸探確定地層信息，地層分布圖往往通過兩鉆孔的地層資料直線相連得到，孔距或土樣擾動過大會降低地層劃分的精度。

(1)鉆孔間距

根據《地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規范》5.3.3、5.4.3，初勘階段鉆孔的間距為100～200 m，詳勘階段鉆孔的間距根據表1確定[2]。

表1 勘探孔間距 m

在地鐵區間的地質勘察中，鉆孔間距一般在30 m以上，分布較為稀疏，而由于自然及人為作用，地層的實際情況十分復雜，相鄰鉆孔間的地層情況以“點探”并兩點連線作為地層劃分可能存在較大的誤差，對地鐵施工的指導作用有待商榷。

(2)土樣信息

對于鉆探得到的土樣，由于運輸及取樣時存在擾動的問題，由此進行室內土工試驗所得地層信息可能存在偏差。

為獲得準確的地層信息，實際工程中往往將鉆探與物探技術相結合。地震CT以其激發能量較小、勘探精度較高等特點，能夠實現對地層的精細描述。

1.2 地震CT技術

人工震源(如機械敲擊、可控震源、爆炸等)所激發產生的地震波在地下巖層、土壤或其他介質中傳播時，通過彈性特征各不相同巖層的分界面時，將產生反射或折射，并且有縱波、橫波、面波等之分，而這些不同類型的波具有不同的傳播速度、路徑、頻率和強度。利用直達波、反射波、折射波、面波等各種組合，及鉆孔、隧道、邊坡、地面、混凝土(如結構)等各種觀測條件，通過專門的反演算法可進行二維或三維地質成像。

目前，地震CT已經發展成為一個方法系列，成像的物理量包括波速、能量衰減、泊松比等各種類型。本文所涉及的三維層析成像系統采用的是速度譜分析法和繞射疊加進行深度偏移來處理地震剖面，基于觀測點作為振動分量在空間取向的函數來追蹤地震波的相位[3]。

對于地下空間模型，將其劃分為網格，把每個網格點作為反射點，對于反射點P，深度為H，所處的記錄道為Si(地表水平位置為Xi)，掃描點P對應任意記錄道Sj(地表水平位置為Xj)的反射波旅行時tij為[4]

式中，m為參與偏移疊加的記錄道；v為地層的地震波傳播速度。多通道的初至波的tij算得后，再通過人工校正的方法將同相軸校正，選擇一系列的試驗速度然后進行各道取值疊加，一系列的速度就對應一系列的振幅值構成速度譜線。其疊加公式為[5]

式中，gi(t)為第i道t時刻的樣值；K為時窗大小；A為平均振幅。

經過速度譜分析后，便可進行速度拾取，這樣巖土體在空間各個方向上就有了視速度的空間分布，該分布可進行深度偏移及巖土體參數計算。

2 設備研發與調試

地震波CT儀器通常都是由地震儀主機、檢波器串、震源以及觸發器組成，其中前三者是地震波CT儀器的主要部分，觸發器的功能是在震源發射的瞬間，給主機提供一個觸發信號，主機開始采集數據，也就是銜接地震儀主機和震源的裝置[6]。本文所涉及的鉆孔與地面相結合的地震波空間探測方法，是在USP地下工程施工超前地質預報系統的基礎上研發的。

2.1 儀器組成

(1)震源

采用人工錘擊及電火花震源。

(2)數據采集系統

MHHC采集器，256通道，該采集器具有多通道、高精度、高速、同步信號采集的特點。

(3)檢波器

PS-100A動圈式檢波器。

目前在淺層地震勘探中，有效反射波的頻譜約為100～150 Hz，干擾面波的頻譜約為10～40 Hz，因此主要采用中高頻檢波器來接收地震波，如固有頻率40 Hz、60 Hz和100 Hz，一般來說，為了壓制低頻噪聲，提高信號主頻，拓寬地震記錄的高頻上限，選取100 Hz的檢波器[7]。

(4)檢波器串

地面檢波器串：64個檢波器，由68芯信號電纜串接而成，使用時一般將尾椎插入地面或將檢波器倒置并用石膏等耦臺劑黏接。

孔中三分量檢波器串：70 mm/90 mm規格，分別應用于內徑70 mm及90 mm的測斜管，在鉆探封孔前下測斜管，利用測斜管內壁上的十字槽滑動三分量檢波器。根據《建筑工程地質勘探與取樣技術規程》及施工經驗，在地鐵勘察中，用于鑒別與劃分地層的鉆孔孔徑一般在75 mm及以上，而取原狀土樣的鉆孔孔徑一般不小于91 mm[8]。

(5)其他裝置

68芯、20芯信號電纜，放線車，觸發器，鐵錘，航空插頭，卷尺等。儀器組成見圖1。

圖1 儀器組成

2.2 成像系統

本系統所涉及的地震CT三維成像系統是在USP系統的基礎上二次開發而成，USP系統為北京市市政工程院研發的地下工程施工超前地質預報系統，系統應用見圖2。

圖2 USP21系統

相比于其他CT反演軟件，地震CT三維成像系統具有以下特點。

(1)可編輯的ini文件：ini文件為windows下的配置文件，用戶可自定義接收器及炮點的位置信息，以實現排布與接收的靈活設置；

(2)多震源、多接收器以及多次疊加次數的方法組合：多達256通道的數據采集及多炮點的聯合(覆蓋)，從而構成高密度的三維數據結構體，多次疊加能壓制噪聲，提高信噪比；

(3)三維數據圖像：具有整體性強、直觀等特點，且能夠從不同方向任意切割、安裝，能對任意一個面作細化描述，整個過程可平移、放大、旋轉，從而實現最佳顯示。

2.3 室內試驗

室內試驗目的是調試設備及測試三維地震CT成像的有效性，為下一步的野外試驗做準備。圖3為地面觀測系統設計，由于室內條件下孔中CT測試條件不滿足，只進行地面多個炮點文件的聯合成像，圖4～7分別為單次激發所得的波形圖，圖8為反射法聯合成像。

圖3 地面觀測系統設計

圖4 地面檢波器串波形圖

圖5 地面檢波器串波形變密圖

圖6 三分量檢波器串(70 mm規格)波形圖

圖7 三分量檢波器串(90 mm規格)波形圖

圖8 反射CT聯合成像——等值面圖

圖像分析：單次激發，地面與三分量檢波器串波形重復性好，同相軸明顯且無斷層，與震源及檢波器布置契合；通過聯合成像，本套設備可有效實現三維地震CT成像，能對地下結構體輪廓作出一定精度的描述。

室內試驗表明，本套裝置測得的均一介質地震圖譜規律性明顯，進一步做院內測試，試驗表明裝置性能良好，并能實現三維CT成像，可進入現場試驗測試。

3 野外操作步驟

本系統工作方法：利用電火花震源孔中激振或者人工錘擊產生地震波，同時通過外觸發的方式同步到數據采集儀，通過地面檢波器串以及孔中三分量檢波器串接收直達波或者反射波，并記錄到數據采集儀上，利用計算機技術實現對各地層信息的采集與判譯，對鉆孔間地層分層情況作出詳細的描述，工作示意見圖9。

圖9 工作示意

具體操作步驟如下：

①根據待測現場地形條件及周邊環境，選擇震源的激發方式并設計檢波器的排布方式、炮點排布。

②勘察孔封孔前安裝護壁管，護壁管的外徑有90 mm、70 mm兩種規格，對于錘擊震源，放置并連接觸發器，對于電火花震源，在另一勘察孔內注水，連接電火花探頭并伸入水面以下。

③地表面與探測孔布設檢波器串，檢波器串與位于地面的數據采集儀連接，數據采集儀與計算機連接。

④打開計算機，根據地質情況選擇合理的探測參數，例如采樣率、采樣點數等，并讀取位置信息。激發震源，計算機同步收到地震波的走時資料，并對這些聲學參數及波形變化做分析研究，得到地震CT空間成像圖。

⑤進行地質情況的判譯，分析地層信息情況，操作流程見圖10。

4 工程實例

4.1 勘察資料

以北京某地鐵段地質勘查為例，鉆孔編號為CD05，位于朝陽公園西側停車場，地勢空曠，外界干擾少，探得地下水位距地表5～6 m，鉆孔位置及地層分布見圖11、圖12。

根據鉆探結果，CD05處地層分布為：0～1.1 m為地層①(粉土填土)，1.1～5.2 m為地層①1(雜填土)，5.2～8.3 m為③1(粉質黏土)，8.3～12.2 m為④3(粉細砂)，12.2～15.4 m為④(粉質黏土)，15.4～16.9為④3(粉細砂)，16.9～19.5 m為⑤1(中粗砂)，19.5～23 m為⑥(粉質黏土)，23～24.5 m為⑦2(粉細砂)，24.5～29.1 m為⑦1(中粗砂)，29.1～31.6 m為⑦(圓礫)。

圖12 地層分布

4.2 觀測系統

本次試驗采取錘擊作為震源，檢波器及炮點排布見圖13、圖14。

圖13 透射法三維觀測系統

圖14 反射法炮點及接收器排布

透射法布置：孔中布設三分量，間距1 m，深度18 m；炮點間距1 m，共計134炮，具體位置見圖13。

反射法布置：檢波器間距為0.25 m，共布設64個檢波器；炮點間距1 m，共布設4條測線，共計54炮，具體位置見圖14。

4.3 圖像判譯

圖像解釋：圖15、圖16、圖17為三維原始數據等值面圖，從圖中可以看出地表處能量較強，地下1.5至6 m左右能量弱，6 m以下，隨著深度加大圖譜中顏色也逐漸加深，即反射能量逐漸加強，并能明顯看出分界情況。結合場地條件及地質資料：地表處為透水磚及瀝青路面(見圖18)，較為密實，地震波傳播速度快；地表至地下5 m為填土，土質疏松；現場測得地下水位深度為6 m，一般來說，當土層孔隙中充滿流體水時，土層縱波波速會迅速的上升至1 400 m/s(水的縱波波速)；隨著深度的加深，土骨架本身的縱波波速會超過1 400 m/s，且分層情況明顯。

圖15 透射三維層析成像圖16 透射三維層析成像(另一角度)圖17 反射三維層析成像(0～10m)圖18 場地及現場照片

試驗表明：本套系統對地層構造較為敏感，地層分界較為明顯，基本與勘察資料吻合。

5 結束語

本文提出了基于地面與孔中相結合的地震CT空間探測方法，相比較傳統的地層劃分方法，本系統能更好的反映地層分界及變化情況，能為地鐵設計與施工提供較為精細的地層信息，可作進一步的研究及應用。

[1] 葉英，侯偉清，張鵬.一種基于鉆孔與地面相結合的地震波空間探測方法[P].專利號：201210409578

[2] 北京市城建勘察測繪院.GB 50307—1999 地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規范[S].北京：中國計劃出版社，1999

[3] 葉英.隧道施工超前地質預報新方法研究[J].地下空間與工程學報，2010，6(3):521-525

[4] 徐玉增，盧海.偏移繞射技術在探地雷達資料處理中的應用[J].能源技術與管理，2010(5)：17-18

[5] 葉英.隧道施工超前地質預報[M].北京：人民交通出版社，2011：262

[6] 毛星.地震波CT應用中觸發器的改良[J].工程物理學報，2011，8(6):677-680

[7] 劉保金，張先康，等.城市活斷層探測的高分辨率淺層地震數據采集技術[J].地震地質，2002，24(4)：524-532．

[8] 中南勘察設計院有限公司.JGJ/T87—2012建筑工程地質勘探與取樣技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2011