跨孔地震CT在鐵路橋梁基礎(chǔ)地下巖溶勘察中的應(yīng)用

2014-05-07 06:04:50鄒炳舉

鐵道勘察 2014年3期

鄒炳舉

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司天津300142)

1 概述

流水對(duì)可溶性巖石化學(xué)溶蝕、機(jī)械沖蝕、潛蝕等作用之后，地下形成的空洞稱(chēng)為巖溶。地下巖溶?chē)?yán)重影響橋梁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性、橋墩施工進(jìn)度及安全，在鐵路勘察中必須將巖溶規(guī)模、邊界準(zhǔn)確查明，才能保證鐵路橋梁基礎(chǔ)的安全及施工進(jìn)度。巖溶經(jīng)常發(fā)育在可溶性的灰?guī)r地層、巖溶與圍巖之間，一般存在著明顯的彈性波波速差異。基于該特征，可以利用跨孔地震CT技術(shù)探測(cè)巖溶。跨孔地震CT技術(shù)是一種分辨率較高、實(shí)用性較強(qiáng)的無(wú)損檢測(cè)方法，自20世紀(jì)90年代以來(lái)，井間地震層析成像技術(shù)逐步進(jìn)入實(shí)用化階段，張平松［1］用其檢測(cè)錨基基礎(chǔ)斷裂，毛先進(jìn)等［2］利用跨孔地震CT技術(shù)解決了復(fù)雜巖溶壩基滲漏探測(cè)工程，張連偉、邱慶程等［3，4］將之應(yīng)用于井間巖溶勘察工作中。從設(shè)備性能、數(shù)據(jù)采集及工程化應(yīng)用等方面展開(kāi)鐵路橋梁基礎(chǔ)地下巖溶探測(cè)的應(yīng)用研究，為鐵路勘察設(shè)計(jì)及施工提供技術(shù)支撐和安全保障。

圖1 跨孔地震CT觀測(cè)系統(tǒng)

2 方法原理

跨孔地震CT技術(shù)［5-7］是在兩孔間采用一點(diǎn)震源激發(fā)多點(diǎn)檢波器接收的扇形觀測(cè)系統(tǒng)，組成密集交叉的射線網(wǎng)絡(luò)(如圖1所示)，激發(fā)點(diǎn)距視勘察所需分辨的目的體的大小而定，一般為1 m，構(gòu)成跨孔地震CT成像激發(fā)、接收觀測(cè)系統(tǒng)。

拾取直達(dá)波初至?xí)r間，利用射線追蹤及CT反演得到兩孔之間的彈性波速度分布圖像:堅(jiān)硬完整的地層波速較高，而受到節(jié)理裂隙發(fā)育、溶蝕洞穴的影響，出現(xiàn)波速異常，波速呈現(xiàn)相對(duì)低速，從而可以確定探測(cè)區(qū)域的基巖面、溶洞及裂隙發(fā)育等情況。

3 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

野外數(shù)據(jù)采集中，可采用德國(guó)SWG1005型電火花作為激發(fā)震源(如圖2左所示)，該電火花最大可產(chǎn)生1 kJ能量，震源主頻高于500 Hz，為自動(dòng)激發(fā)，無(wú)需人工控制，非常適用于這種需要多次激發(fā)、多次疊加的工作方法;地震信號(hào)接收采用德國(guó)產(chǎn)AQ-2000型12道水中地震檢波器串(如圖2右所示)，水聽(tīng)器頻響范圍為5～4 000 Hz，具有前置放大功能，可有效提高信號(hào)強(qiáng)度。

圖3 典型橋墩逐樁鉆孔布置示意

圖4 跨孔地震CT一孔多收書(shū)記采集模式

圖2 跨孔地震CT數(shù)據(jù)采集設(shè)備(發(fā)射機(jī)、接收機(jī))

4 數(shù)據(jù)采集方式

當(dāng)前高速鐵路橋墩間距一般為32 m左右，上千公里鐵路線，橋墩數(shù)量非常巨大，因此研究高效的跨孔地震CT野外數(shù)據(jù)采集模式，提高數(shù)據(jù)采集效率顯得較為重要，鐵路橋墩典型逐樁鉆孔布置如圖3所示，鉆孔密集，相互間距離較近。

當(dāng)前地震信號(hào)記錄儀道數(shù)較多，多為24或72道，且可任意擴(kuò)展。因此，可采用一孔激發(fā)、多孔接收的數(shù)據(jù)采集模式。如圖4所示，采取一孔作為震源孔，附近兩個(gè)或多個(gè)鉆孔接收，實(shí)現(xiàn)一孔激發(fā)、多孔接收，將數(shù)據(jù)采集效率翻倍提升。

5 橋梁基礎(chǔ)勘察應(yīng)用

為了檢驗(yàn)跨孔地震CT在橋墩基礎(chǔ)地下巖溶勘察的應(yīng)用效果，在某鐵路大橋橋墩進(jìn)行了跨孔地震CT的應(yīng)用研究，圖5為測(cè)線布置平面示意，激發(fā)孔號(hào)為10－ZD－000747，接收孔號(hào)為10－ZD －000743、10－ZD－00074，采用一發(fā)雙收模式。

圖6為跨孔地震CT成果，在高程162 m以上為粉質(zhì)黏土，下部為灰?guī)r，從跨孔地震CT成果圖中反映出152 m高程以上溶蝕發(fā)育，在144～146 m高程存在一溶洞發(fā)育。為了驗(yàn)證成果是否準(zhǔn)確，在該溶洞處進(jìn)行了鉆探驗(yàn)證，孔號(hào)為10－ZD－000748，圖7為對(duì)應(yīng)地質(zhì)柱狀圖，從地質(zhì)柱狀圖中也可以看到145 m高程處的巖溶，說(shuō)明圖6中跨孔地震CT結(jié)果對(duì)于巖溶的揭示是正確的。