跨孔地震CT在鐵路橋梁基礎地下巖溶勘察中的應用

2014-05-07 06:04:50鄒炳舉

鐵道勘察 2014年3期

鄒炳舉

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司天津300142)

1 概述

流水對可溶性巖石化學溶蝕、機械沖蝕、潛蝕等作用之后，地下形成的空洞稱為巖溶。地下巖溶嚴重影響橋梁基礎的穩定性、橋墩施工進度及安全，在鐵路勘察中必須將巖溶規模、邊界準確查明，才能保證鐵路橋梁基礎的安全及施工進度。巖溶經常發育在可溶性的灰巖地層、巖溶與圍巖之間，一般存在著明顯的彈性波波速差異?；谠撎卣?，可以利用跨孔地震CT技術探測巖溶。跨孔地震CT技術是一種分辨率較高、實用性較強的無損檢測方法，自20世紀90年代以來，井間地震層析成像技術逐步進入實用化階段，張平松［1］用其檢測錨基基礎斷裂，毛先進等［2］利用跨孔地震CT技術解決了復雜巖溶壩基滲漏探測工程，張連偉、邱慶程等［3，4］將之應用于井間巖溶勘察工作中。從設備性能、數據采集及工程化應用等方面展開鐵路橋梁基礎地下巖溶探測的應用研究，為鐵路勘察設計及施工提供技術支撐和安全保障。

圖1 跨孔地震CT觀測系統

2 方法原理

跨孔地震CT技術［5-7］是在兩孔間采用一點震源激發多點檢波器接收的扇形觀測系統，組成密集交叉的射線網絡(如圖1所示)，激發點距視勘察所需分辨的目的體的大小而定，一般為1 m，構成跨孔地震CT成像激發、接收觀測系統。

拾取直達波初至時間，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:堅硬完整的地層波速較高，而受到節理裂隙發育、溶蝕洞穴的影響，出現波速異常，波速呈現相對低速，從而可以確定探測區域的基巖面、溶洞及裂隙發育等情況。

3 數據采集設備

野外數據采集中，可采用德國SWG1005型電火花作為激發震源(如圖2左所示)，該電火花最大可產生1 kJ能量，震源主頻高于500 Hz，為自動激發，無需人工控制，非常適用于這種需要多次激發、多次疊加的工作方法;地震信號接收采用德國產AQ-2000型12道水中地震檢波器串(如圖2右所示)，水聽器頻響范圍為5～4 000 Hz，具有前置放大功能，可有效提高信號強度。

圖3 典型橋墩逐樁鉆孔布置示意

圖4 跨孔地震CT一孔多收書記采集模式

圖2 跨孔地震CT數據采集設備(發射機、接收機)

4 數據采集方式

當前高速鐵路橋墩間距一般為32 m左右，上千公里鐵路線，橋墩數量非常巨大，因此研究高效的跨孔地震CT野外數據采集模式，提高數據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。

當前地震信號記錄儀道數較多，多為24或72道，且可任意擴展。因此，可采用一孔激發、多孔接收的數據采集模式。如圖4所示，采取一孔作為震源孔，附近兩個或多個鉆孔接收，實現一孔激發、多孔接收，將數據采集效率翻倍提升。

5 橋梁基礎勘察應用

為了檢驗跨孔地震CT在橋墩基礎地下巖溶勘察的應用效果，在某鐵路大橋橋墩進行了跨孔地震CT的應用研究，圖5為測線布置平面示意，激發孔號為10－ZD－000747，接收孔號為10－ZD －000743、10－ZD－00074，采用一發雙收模式。

圖6為跨孔地震CT成果，在高程162 m以上為粉質黏土，下部為灰巖，從跨孔地震CT成果圖中反映出152 m高程以上溶蝕發育，在144～146 m高程存在一溶洞發育。為了驗證成果是否準確，在該溶洞處進行了鉆探驗證，孔號為10－ZD－000748，圖7為對應地質柱狀圖，從地質柱狀圖中也可以看到145 m高程處的巖溶，說明圖6中跨孔地震CT結果對于巖溶的揭示是正確的。