地球物理測井在福州地鐵2號線勘察中的應用

■楊文明

（福建省交通規劃設計院，福州　350004）

地球物理測井在福州地鐵2號線勘察中的應用

■楊文明

（福建省交通規劃設計院，福州350004）

地球物理測井是在地鐵勘察中配合鉆探及土工試驗劃分地層，確定地層物理特性的有效手段。本文結合福州地鐵2號線勘察，列舉了剪切波測井、電阻率測井、井溫測井、自然伽馬測井四種方法的基本原理、使用方式、成果處理及效果。

測井地鐵勘察剪切波電阻率井溫自然伽馬

0　概述

福州市位于福建省東南沿海，經濟發展迅速，城市交通壓力大，在建的地鐵1號線南北方向貫穿城區，擬建控制性的福州地鐵2號線與1號線相交，近于西北至東南方向，沿線場地地貌單元主要為沖、淤積平原地貌，工程地質分區屬沖、淤積區，存在較厚的軟土淤泥及砂層，局部還存在卵石層，因而勘察要求較高，需要多種勘察手段配合完成。筆者在福州地鐵2號線勘察中采用地球物理綜合測井方式并取得了良好的效果。

下面按采用測井數據采集系統分述如下：

1　剪切波測井

其主要目的是配合鉆探劃分場地土類型和類別。

剪切波測井常規是采用單孔檢層法（扣板法）：即利用放置到鉆孔中的傳感器接收由地面敲擊扣板產生的P、S波信號到達時間（初至），來確定鉆孔所處地層波速的一種方法。該方法需配備地面振源，受場地條件限制，在城市堅硬地面（水泥地面、公路等）、水上和水田內開展工作有一定難度；測試較深鉆孔時，由于波傳播距離長，信號衰減嚴重，有時多次疊加也難以取得滿意的測試結果；由于施工場地干擾較多，使得波形復雜，對非專業技術人員來說，資料處理工作有一定的難度。為降低上述環境干擾，本工程的剪切波測井采用XG—I懸掛式波速測井系統，如 圖1所示。

懸掛式波速測井方式所測波速對應于兩道接收檢波器（相距1m）所在的平均深度，儀器的工作過程如下：將震源和接收檢波器置于鉆孔中，以井液作為耦合劑，用電磁震源垂直于井壁作用一瞬時沖擊力，經過井液耦合，此時在井壁地層中產生兩種類型質點振動，一種是質點振動方向垂直于井壁，沿井壁方向傳播，稱為剪切波 （橫波）；另一種是質點振動方向與傳播方向相同，稱為壓縮波（縱波），位于震源下方的兩個相距1m的檢波器接收沿井壁地層傳播的剪切波信號并轉換成電信號，主機對信號進行數據處理后采用兩道互相關分析方法，自動判讀剪切波在兩道檢波器間傳播的時間差，從而計算出兩道間的剪切波傳播速度。同時原始波形圖及自動計算的結果顯示在微機顯示屏上［1］，如圖2所示。

圖1 XG—I懸掛式波速測井系統

圖2　試驗孔現場波速測試結果

懸掛式波速測井由于震源靠近接收檢波器，信號較強，可有效地壓制其它干擾波，采用一發兩收裝置，避免了震源——儀器系統的延時引起的波速計算誤差，提高了波速測試的精度。

表1為本工程各土層的剪切波速統計表，表2及表3為部分鉆孔分別按《建筑抗震設計規范》和《鐵路工程抗震設計規范》標準判斷的場地類別。

表1　各巖土層剪切波速表

表2　部分鉆孔場地類別判定表（《建筑抗震設計規范》）

表3　部分鉆孔建筑場地類別判定表（《鐵路工程抗震設計規范》）

2　電阻率測井、井溫測井、自然伽馬測井

這三種測井方式采用JGS-1B智能工程測井系統，其系統構成及連接示意圖如圖3所示。

JGS-1B綜合數字測井系統由測井主機、手搖絞車、探管、電腦連線組成。各部分作用如下：

測井主機：提供井下探管的工作電流，記錄和處理測井的深度信號及探管的測量信號。

圖3　JGS-1B智能工程測井系統構成示意圖

探管：測量地層的物性參數并將其轉化為電信號。手搖絞車：控制絞車做測井探管的下降和提升。

筆記本電腦：用作測井參數的設置和測井曲線的實時顯示及后續的各種曲線處理。

2.1電阻率測井

其目的是測定地層的視電阻率，為供電等專業提供設計依據，同時視電阻率也是判定土體對金屬腐蝕性的輔助參數。

廣義的電阻率測井是指以巖石、礦石電性為基礎的一組測井方法，包括視電阻率測井、微電極測井、側向測井等測井方法。本工程采用的測井方式為普通電阻率測井中的倒裝電位電極系，示意圖見圖4。視電阻率：

圖4　倒裝電位電極系

當MN→∞，AN→∞，則可看做AN=MN，且VN=0，ΔVMN=VM-VN=VM

所以

AM、I一定后，Ra與M的電位VM成正比，因此該電極系稱為電位電極系。

值得注意的是：在實際測量中M與N的距離不可能為無窮大，但如果MN/AM≥19時，這樣的電極系與理想電位電極系之間的誤差小于5%，仍可近似看做理想電位電極系［2］。

2.2井溫測井

其目的是提供地鐵設計時結構溫度應力、暖通設計等所需的溫度參數。

井溫測井采用電阻式溫度儀，其傳感器為鉑金屬熱敏電阻，它由于其物理、化學性質非常穩定，其線性度最好，能把溫度變化引起的電阻變化轉換成電壓信號輸出。

式中，K為儀器常數，表示電阻每變化一個單位時，溫度的變化值。測出的曲線也叫梯度井溫曲線，即溫度隨深度的變化曲線。

本次采用的電阻式溫度計所測溫度的絕對精度為

0.2℃，分辨率高，完全滿足規范0.5℃的要求。

2.3自然伽馬測井

其目的是測定地層的天然放射性輻射參數。

自然伽馬測井原理如圖5所示，其測量過程如下：

圖5　自然伽馬測井原理圖

圖6　鉆孔MBZ2-A11綜合測井成果曲線

（1）γ射線探測器探測到地層的γ射線，并將γ射線變換成電脈沖信號 （每一道γ射線變換成一個負脈沖信號）。

（2）此脈沖信號送入井下放大器進行放大。

（3）井下放大器放大的脈沖信號送入地面的放大器再進行放大 （原因是脈沖信號通過電纜之后會有些衰減）。

（4）由于脈沖信號中混合一些干擾信號，需經過鑒別器進行鑒別，排除干擾。

（5）將一些畸變的脈沖信號送入整形器進行整形。

（6）歸一化的波形送入計數電路記錄單位時間內脈沖個數。

本工程采用二級刻度的R411自然伽馬探管，其探測器為碘化鈉晶體，提供成果的測量單位為API。

JGS-1B智能工程測井系統采集的原始曲線數據經記錄點對齊 （將所測參數的記錄點位置由參考深度移到真實深度）及數值計算（通過相應探管的標定系數將測井的原始數據轉換成標準單位的真實值）兩個主要處理步驟，最終成果以CAD輸出成圖。

圖6為鉆孔MBZ2-A114的綜合測井成果曲線，其中電阻率測井、井溫測井、自然伽馬測井測點距為0.1m，剪切波測井測點距為1m。

由圖6可以看出，井溫曲線變化平緩，其數值與地層無關；電阻率、自然伽馬、剪切波速三條曲線的變化趨勢與各地層深度對應良好，但由于不同的的測井方式反映不同的地層物性指標，其變化趨勢又不盡相同。

3　結語

（1）地球物理測井在地鐵勘察中是一種有效的勘察手段，可以為設計提供可靠的地層物性參數。

（2）電阻率測井對地層電阻率細微變化反映敏感，可以輔助鉆探進行巖性分層。

（3）地表一定深度范圍內土體溫度主要受大氣影響，井溫在地表以下10m范圍內受大氣溫度影響較為敏感，因此變化幅度較大，10m以后趨于穩定。

（4）由于放射性元素的衰變規律：同一地層測得的放射性強度不會恒定，在放射性源強度不變、測量條件不變的情況下，在相等的時間間隔內，重復觀測放射性強度，每次記錄的數值不同，總是在某一數值（平均值）上下波動，即放射性漲落現象。

［1］梅新忠，王振德，王晨光.工程勘察中懸掛式波速測井方法的應用.工程勘察，2006（S1）.

［2］潘和平，馬火林，蔡柏林，等.地球物理測井與井中物探.科學出版社，2009，4.

［3］GB 50307-2012，城市軌道交通巖土工程勘察規范［S］.中國計劃出版社，2012.

圖4　優化后的綜合布置三維建模效果圖

圖4中放樣管路數量少且布置緊湊，整體布局上有條不紊。設備的操作、維修空間均留出了足夠的距離，且有三個人員通道可以直接到達任何一臺設備附近。只在原布置圖上稍做調整，優化后的設備布置圖卻給管系放樣帶來了相當大的自由度，完全解決了圖2中存在的問題。

優化機艙綜合布置是一個反復調整的過程，管系放樣與設備布置需緊密銜接，相互協調，發現問題相互反饋，對可預見性的隱患及時進行清理，使優化效果螺旋上升，逐步得到比較合理的布置方案。

5　結束語

通過對實船優化機艙綜合布置前后的分析對比，論述了設備間相互關系分析對優化機艙綜合布置的影響及優化方案的可行性，并取得了良好的實際效果。機艙綜合布置不僅受主觀因素影響，而且還隨著船型的變化而變化，但萬變不離其宗，只要掌握相應的分析的方法，積累一定的對比分析經驗，找到便捷、可靠的優化方案還是有章可循。

參考文獻

［1］朱樹文.船舶動力裝置原理與設計.上海交通大學出版社，1985.

［2］中國船舶工業總公司.船舶設計實用手冊（輪機分冊）.國防工業出版社，1999.