多道瞬態(tài)面波法在巖溶注漿質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

席超強(qiáng)，周文龍，李建寧

安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽淮南，232001

?

多道瞬態(tài)面波法在巖溶注漿質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

席超強(qiáng)，周文龍，李建寧

安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽淮南，232001

采用高精度有限差分法對(duì)水平三層均質(zhì)地質(zhì)模型和含溶洞地質(zhì)模型進(jìn)行正演模擬，對(duì)正演數(shù)據(jù)進(jìn)行F-K頻散計(jì)算，綜合對(duì)比面波單炮記錄與頻散譜的差異，表明溶洞的存在對(duì)頻散特征的影響較大。在注漿場(chǎng)區(qū)采用滾動(dòng)采集方式進(jìn)行瑞雷波數(shù)據(jù)采集，對(duì)所得地震記錄進(jìn)行頻散分析，并經(jīng)過(guò)處理得到二維橫波速度剖面。根據(jù)鉆孔巖性資料以及基巖面起伏情況，分析橫波速度水平與豎直方向的變化特征，對(duì)場(chǎng)地巖溶注漿異常區(qū)域進(jìn)行識(shí)別和判斷。數(shù)值模擬與應(yīng)用實(shí)例表明，多道瞬態(tài)瑞雷波法對(duì)溶洞較為敏感，所提供巖溶異常范圍較準(zhǔn)確。

多道瞬態(tài)面波；有限差分；巖溶注漿；質(zhì)量檢測(cè)

1　問(wèn)題的提出

多道瞬態(tài)瑞雷面波法是近年發(fā)展較為迅速的一種地球物理勘探方法[1]。該方法采用多個(gè)檢波點(diǎn)排列接收排列下方人工激發(fā)的地震波，通過(guò)計(jì)算得到排列中心點(diǎn)一定深度范圍內(nèi)的速度頻散并進(jìn)行分析[2]。近年來(lái)，高速鐵路建設(shè)發(fā)展迅猛，里程逐年快速增加。許多高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)劃路線經(jīng)過(guò)巖溶發(fā)育地區(qū)，工程施工前須對(duì)一定深度范圍內(nèi)巖溶發(fā)育地區(qū)的施工場(chǎng)地進(jìn)行換填和鉆孔注漿等加固處理措施，以排除巖溶不良地質(zhì)條件對(duì)高速鐵路路基工程帶來(lái)的安全隱患。常見(jiàn)的混凝土注漿質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)方法有震波掃描測(cè)試法、高密度電阻率法和地質(zhì)雷達(dá)法等。與其他方法相比，多道瞬態(tài)瑞雷面波法具有簡(jiǎn)單便捷和經(jīng)濟(jì)節(jié)約等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在鐵路巖溶路基注漿質(zhì)量檢測(cè)中開(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用。

本文以采用多道瞬態(tài)瑞雷波法對(duì)淮蕭客車聯(lián)絡(luò)線工程巖溶路基進(jìn)行注漿質(zhì)量檢測(cè)為例，針對(duì)工區(qū)典型的地質(zhì)條件，建立地質(zhì)模型，進(jìn)行高精度交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分二維數(shù)值模擬，對(duì)地層注漿前后瞬態(tài)瑞雷面波頻散曲線變化特征進(jìn)行分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巖溶注漿檢測(cè)，認(rèn)為瞬態(tài)瑞雷面波法可用于巖溶注漿檢測(cè)。

2　工程概況

淮蕭客車聯(lián)絡(luò)線工程位于安徽省宿州市蕭縣，該隧道為雙線隧道。鐵路路基主要以土石方填筑的形式建造。場(chǎng)區(qū)內(nèi)覆蓋層為紅褐色粉質(zhì)黏土，下伏巖層為白云質(zhì)灰?guī)r，覆蓋層與下伏基巖層之間為碎石土風(fēng)化帶。施工時(shí)，要對(duì)易塌陷區(qū)進(jìn)行巖溶地面塌陷注漿加固，采用多道瞬態(tài)面波法對(duì)路基巖溶整治效果進(jìn)行檢測(cè)。

3　巖溶數(shù)值模擬

3.1多道瞬態(tài)面波勘探技術(shù)

多道瞬態(tài)面波法在工作方法上與傳統(tǒng)面波勘探方法不同，采用多道低頻檢波器線性排列方式進(jìn)行震波接收[3]。選擇滿足面波勘探頻率和深度要求的大錘和落重激振等震源，數(shù)據(jù)采集如圖1所示[4]，產(chǎn)生頻率范圍較寬的低頻面波信號(hào)通過(guò)檢波器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。運(yùn)用快速二維傅里葉變換(FFT)，將時(shí)間-距離地震信號(hào)轉(zhuǎn)換到F-K域，通過(guò)計(jì)算得到各頻率的速度值，生成F-V域的能量譜，拾取能量最大值，得到面波頻散曲線[5]。

圖1　多道瞬態(tài)面波法的工作原理示意圖

由于VR-f曲線與VR-λ曲線的變化規(guī)律與地面下介質(zhì)的物理性質(zhì)存在內(nèi)在聯(lián)系，所以通過(guò)對(duì)頻散曲線進(jìn)行反演[6]，可以推測(cè)出某一深度范圍內(nèi)的地下構(gòu)造情況和不同深度的VR值，同時(shí)可以利用多個(gè)面波點(diǎn)排列，繪制出面波波速等值線圖(圖1)[7]。

3.2數(shù)值模擬參數(shù)

表1為高速鐵路路基檢測(cè)中常遇到的三層橫向均勻介質(zhì)地質(zhì)模型的參數(shù)。該模型的縱橫波速度隨深度的增加而逐漸增大。對(duì)圖2所示的模型進(jìn)行正演模擬，揭示瑞雷波在傳播過(guò)程中波場(chǎng)與頻散曲線特征。

表1　三層均勻介質(zhì)地質(zhì)模型參數(shù)

圖2 三層均勻介質(zhì)模型

在多道瑞雷面波勘探中，重點(diǎn)是通過(guò)接收不同頻率的面波信號(hào)而獲得地下介質(zhì)信息。因此，通過(guò)設(shè)置低主頻、寬頻帶的震源，能保證獲得由淺到深的完整的波速信息。根據(jù)地層的面波速度和目標(biāo)層的深度，合理選擇采樣時(shí)間。觀測(cè)系統(tǒng)一般采用與震源同一直線的多個(gè)檢波器等間距接收面波信號(hào)的方式采集數(shù)據(jù)，通道數(shù)不宜少于12道。根據(jù)試驗(yàn)，選取最佳道間距和偏移距[8]。

本次數(shù)值模擬的采樣參數(shù)：采樣率0.2 ms，采樣時(shí)間500 ms。50道檢波器接收，道間距2 m，炮間距5 m，偏移距2 m。采用彈性波動(dòng)方程進(jìn)行模擬運(yùn)算，得到地震記錄，如圖3所示。

從圖3可以看出，在水平地表二維速度遞增介質(zhì)中，隨著深度的增加，瑞雷波呈“掃帚狀”，即發(fā)生頻散現(xiàn)象，這與瑞雷波基本理論完全一致，對(duì)正演所得地震記錄進(jìn)行頻散分析。

圖3 均勻介質(zhì)模型單炮記錄

圖4為第1炮和第6炮頻散譜，頻散譜基本相同。由于第1炮的炮點(diǎn)坐標(biāo)為(0,0)，處于模型的左側(cè)邊界，頻譜相同說(shuō)明設(shè)置的人工邊界對(duì)有限差分計(jì)算結(jié)果影響較小，沒(méi)有產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾波。

圖4　均勻介質(zhì)模型地震記錄頻散譜

圖5為均勻介質(zhì)模型模擬計(jì)算得到15炮地震記錄，根據(jù)F-K法提取得到的頻散曲線對(duì)比圖，15條頻散曲線基本重合。說(shuō)明有限差分法能穩(wěn)定地模擬彈性波波場(chǎng)，得到頻散譜只與地層的縱橫波速度、密度、泊松比、深度等參數(shù)有關(guān)，因此使用交錯(cuò)網(wǎng)格有限差元法模擬瑞雷波的傳播問(wèn)題是可行的。

圖5 均勻介質(zhì)模型頻散曲線對(duì)比圖

模型大小：200×100 m，網(wǎng)格間距0.5×0.5 m，炮間距5 m，偏移距2 m,道間距2 m，50道接收。采樣間隔0.2 ms，采樣時(shí)間500 ms。

根據(jù)地質(zhì)鉆孔，路線地下10～15 m范圍的碎石土風(fēng)化帶存在充填溶洞，因此設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)10 m深5 m的溶洞，且溶洞離地表的距離約10 m。震源的頻率范圍依然為0～100 Hz，主頻為35 Hz的雷克子波。表2為水平地表下三層介質(zhì)含溶洞模型參數(shù)，圖6為水平地表下三層介質(zhì)含溶洞模型。

表2　三層均勻介質(zhì)含溶洞模型參數(shù)

圖6 三層均勻介質(zhì)含溶洞模型

從圖7可以看出，波形記錄有呈頻散特征的瑞雷波存在，在溶洞中心位置的地震波形分布不均勻且波形出現(xiàn)錯(cuò)斷的現(xiàn)象。這是由于震波傳播至局部異常位置時(shí)，發(fā)生反向散射和繞射，導(dǎo)致溶洞上方近地表瑞雷波相改變。

圖7 含溶洞模型地震單炮記錄

從圖8可以看出，含溶洞模型頻散譜與不含溶洞的均勻介質(zhì)模型頻散譜比較相似，整體上頻譜能量值“脊”線連續(xù)較好，頻率譜在8 Hz處出現(xiàn)斷點(diǎn)的扭曲現(xiàn)象。

圖8　均勻介質(zhì)含溶洞模型地震記錄頻散譜

均勻介質(zhì)含溶洞模型進(jìn)行正演模擬計(jì)算共得到15炮地震記錄，根據(jù)頻散計(jì)算提取得到的頻散曲線如圖9所示，頻散曲線按激發(fā)順序分別使用不同顏色表示。頻散曲線均呈“之”字形，各“之”字形的凸起形狀有所不同，因?yàn)槿芏吹奈恢门c各排列的距離對(duì)波場(chǎng)轉(zhuǎn)播的影響存在差異。但頻散曲線基本都在頻率8 Hz附近開(kāi)始“起跳”，傳播介質(zhì)的速度變化導(dǎo)致頻散曲線產(chǎn)生“拐點(diǎn)”，這一特征可為判斷溶洞存在提供理論依據(jù)。多道瞬態(tài)瑞雷面波對(duì)地下溶洞較為敏感，運(yùn)用瞬態(tài)瑞雷面波進(jìn)行溶洞探測(cè)和巖溶注漿質(zhì)量檢測(cè)是一種可行的手段。

圖9　均勻介質(zhì)模型頻散曲線對(duì)比圖

4　現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與分析

4.1現(xiàn)場(chǎng)工作布置

在路基探測(cè)有效范圍內(nèi)分別設(shè)置3條平行路基軸向的測(cè)線(圖10)，即路基中線、路基左線、路基右線。經(jīng)前期現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，偏移距4 m，道間距2 m，炮間距2 m。采樣點(diǎn)數(shù)4 K，采樣間隔0.1 ms。使用12個(gè)4.5 Hz低頻檢波器采用等間距線性單邊排列系統(tǒng)。

圖10　測(cè)線布置示意圖

本次檢測(cè)選用大錘激振方式產(chǎn)生震源，使用18磅大錘敲擊地表金屬墊片。為保證震源有效，在激發(fā)震源時(shí)，落錘要避免大錘二次撞擊墊片，盡量回避能產(chǎn)生面波反射或散射的障礙物以及施工機(jī)械等振動(dòng)干擾源;根據(jù)具體勘探深度，在落錘下選擇不同材質(zhì)的墊片。

為了采集到有效的數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)必須滿足以下條件：(1)測(cè)線布置必須為直線；(2)根據(jù)面波傳播特征，對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行平整，消除由于地形起伏造成的采集誤差；(3)暫時(shí)關(guān)停探測(cè)場(chǎng)地附近的可能對(duì)數(shù)據(jù)采集有影響的機(jī)械，如挖掘機(jī)等。

4.3數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理的主要步驟：數(shù)據(jù)預(yù)處理、頻譜分析、頻散曲線拾取和結(jié)果成圖。

多道瞬態(tài)瑞雷波數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵是準(zhǔn)確提取頻散曲線。本次數(shù)據(jù)處理使用Geogiga軟件的Surface Plus模塊。Geogiga 8.0軟件提供的頻散曲線速度測(cè)定方法有頻率-波數(shù)法(F-K法)和相位差法。F-K法利用二維傅里葉變換(FFT)，將時(shí)間-空間域數(shù)據(jù)變換到頻率-波數(shù)域、頻率-速度域和頻率-慢度域[9]。在通過(guò)變換所得到的頻率譜中，不同視速度的體波、噪音和面波可以分離。采用這種速度分析方式，相速度穩(wěn)定，受噪音影響較小。與相位差法比，橫向分辨率較低，數(shù)據(jù)分析所需要的檢波點(diǎn)較多。

資料處理的主要流程如下：

(1)載入野外采集得到的地震數(shù)據(jù)并進(jìn)行預(yù)處理，檢查記錄中的壞道，對(duì)干擾波和噪音信號(hào)進(jìn)行視窗切除，完成頻散分析前的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

(2)進(jìn)行二維傅里葉變換(FFT)，將時(shí)間-空間域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)到頻率波數(shù)域，在頻率波數(shù)譜圖中取能量極大值線,繪制頻散曲線。

(3)根據(jù)得到的頻散曲線和測(cè)點(diǎn)的位置，整合完成測(cè)區(qū)場(chǎng)地面波相速度等值線圖，并結(jié)合場(chǎng)區(qū)提供的注漿前鉆孔地質(zhì)、巖性資料，對(duì)面波速度進(jìn)行分區(qū)計(jì)算。根據(jù)巖溶注漿波速判定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)注漿后場(chǎng)地進(jìn)行面波速度分析綜合評(píng)價(jià)。

4.4結(jié)果分析

表3是巖溶鉆孔注漿的質(zhì)量判定依據(jù)，根據(jù)鉆孔揭示的場(chǎng)地巖性長(zhǎng)度，代入判定標(biāo)準(zhǔn)的公式，計(jì)算面波速度。

表3　巖溶注漿瞬態(tài)面波法判定標(biāo)準(zhǔn)

圖11為DK12+650～DK12+750由鉆孔地質(zhì)資料繪制成的巖性示意圖。巖性資料顯示原10～15 m范圍內(nèi)存在厚度約為2～5 m的主要巖性為碎石土的巖溶破碎帶。該層巖體強(qiáng)度較低，不能滿足高速鐵路地基的強(qiáng)度要求，該深度范圍也是注漿的目標(biāo)。場(chǎng)地深度15 m以下為白云質(zhì)灰?guī)r層。

圖12可以看出，相速度值隨深度增大而逐漸增大。低速帶由冷色調(diào)表示，高速帶由暖色調(diào)表示，低速高速過(guò)渡清晰。顏色較明顯的分界面為巖性界面。

根據(jù)地下深度范圍內(nèi)地質(zhì)條件的不同，將勘探區(qū)域劃分為兩個(gè)小區(qū)，對(duì)每個(gè)小區(qū)依據(jù)巖溶注漿效

10.3969/j.issn.1673-2006.2016.10.032

2016-07-22

席超強(qiáng)(1993-),安徽亳州人，在讀碩士研究生，主要研究方向：工程地球物理勘探。

U213.5

A

1673-2006(2016)10-0123-05