張連偉 唐筱眸 周海濱

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司,天津 300251)

1 地質(zhì)及地球物理概況

該新建鐵路沿線多以丘陵、中低山地貌為主,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,巖溶發(fā)育以覆蓋性巖溶為主。

發(fā)育地層為泥盆系到白堊系的灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、礫巖(礫石成分為灰?guī)r),巖溶及裂隙發(fā)育程度不均勻,從微弱發(fā)育到強烈發(fā)育都有。溶洞中多數(shù)具有充填物或含水,以粉質(zhì)黏土、角礫土等為主。

根據(jù)同類工程經(jīng)驗,該區(qū)灰?guī)r的縱波波速Vp在4 000～6 000 m/s之間,飽和含水土層的縱波波速Vp在1 500～2 000 m/s之間。基巖與土層之間存在極為明顯的波速差異,提供了較好的物性條件,具備了開展跨孔地震CT方法的地球物理條件。

2 跨孔地震CT原理

2.1 工作方法原理

跨孔地震CT技術(shù)也稱地震波層析成像技術(shù),經(jīng)常用作高精度孔間地層成像探測。它是在第一個孔內(nèi)發(fā)射器發(fā)射地震波到達第二個孔內(nèi)后被檢波器接收,數(shù)據(jù)傳輸?shù)降卣鹩涗泝x中保存以做后處理分析,把地震波傳播路徑疊加后成像,這種方法類似于醫(yī)學(xué)CT方法。可成功用于巖石(或礫石、沙層))土層(包括軟土)等各種地層。依據(jù)波在不同介質(zhì)中傳播速度的差異,將接收到的信號轉(zhuǎn)化成波速進行CT成像處理,可精確描述井間地質(zhì)目標體的幾何形態(tài)和物理特性。波走時與介質(zhì)速度的分布關(guān)系可用如下方程表示

式中：V(x)是介質(zhì)的速度分布,R(v)是依賴于速度分布的射線路經(jīng)。

由上式可見,當介質(zhì)的地震波速度發(fā)生變化時,其走時也隨著發(fā)生改變。將多條通過介質(zhì)的地震波射線走時提取出來,反算出介質(zhì)的地震波速度,從而再重建介質(zhì)的地震波速度空間分布圖像。

2.2 層析成像技術(shù)

地震CT的核心技術(shù)是地震波射線追蹤方法和層析成像反演算法,目前國內(nèi)外應(yīng)用廣泛且較為成熟的是基于惠更斯原理和網(wǎng)絡(luò)理論的最短路徑射線追蹤法(SPR)和聯(lián)合迭代重建技術(shù)(SIRT算法),可以實現(xiàn)高精度彎曲射線CT。國內(nèi)外多數(shù)井間地震波層析成像軟件均采用以上算法,通過求解大型的、稀疏的和不適定線性方程組,進行遞歸迭代反演,從而得到被探測區(qū)域的二維速度分布值,重建地下介質(zhì)的縱波波速圖像,并用速度色譜圖描繪出來。

3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集及資料處理

3.1 儀器設(shè)備

此次測試工作采用美國Geometrics公司NZ24型淺層地震儀、德國SWG1005型電火花震源和AQ-2000型24道水聽器,震源主頻高于500 Hz,傳感器頻響范圍為5～4 000 Hz,接收儀器頻響為10～4 000 Hz。

3.2 工作方法

先在鉆孔1中某一位置處激發(fā)彈性波,并在鉆孔2中n個等間隔位置處接收,可測得n個彈性波旅行時；然后,按一定規(guī)律移動激發(fā)點或接收點的位置,直到完成預(yù)先設(shè)計好的觀測系統(tǒng)(見圖1)。

圖1 跨孔地震CT觀測系統(tǒng)示意

若整個觀測系統(tǒng)共激發(fā)m次,則可測得m×n個彈性波旅行時,據(jù)此信息,利用計算機作反演計算,即可得到被檢測體內(nèi)部的波速圖像 。

實際工作中孔深最好是孔距的2倍,孔距不大于25 m,觀測范圍宜選擇自最淺基巖面以上1/2孔距,并不少于5 m的土層至孔底。

3.3 資料處理流程

本次資料處理具體操作按以下步驟進行。

①抽道集：將每對跨孔CT的全部原始數(shù)據(jù)重排成共激發(fā)點道集。

②共激發(fā)點道集檢查：檢查數(shù)據(jù)錄質(zhì)量,發(fā)現(xiàn)問題進行重新觀測。

③初至拾?。菏叭∪抗布ぐl(fā)點道集各接收點的初至?xí)r間,初至?xí)r間的正確拾取對數(shù)據(jù)反演結(jié)果至關(guān)重要。

④射線平均波速計算：初步計算各射線平均波速,發(fā)現(xiàn)平均波速偏離正常范圍,分析偏離的原因。

⑤初始速度模型預(yù)測：按鉆孔情況和射線平均波速,建立預(yù)測速度模型；

⑥CT反演：根據(jù)初始速度模型和初至?xí)r間,應(yīng)用CT反演軟件,選擇0.5 m×0.5 m的節(jié)點間隔(小跨距的剖面)或1.0 m×1.0 m的節(jié)點間隔(大跨距的剖面),進行疊代計算。

⑦波速影像圖繪制：根據(jù)反演得到的速度模型,以100 m/s速度間隔進行色分,疊加工程地質(zhì)剖面圖,制作波速影像圖。

⑧跨孔地震CT反演波速影像及綜合地質(zhì)解釋剖面圖繪制：以波速影像圖為背景,疊加鉆孔資料、物探地質(zhì)解釋成果,繪制包含巖土分層、基巖起伏形態(tài)、溶洞邊界的綜合解釋地質(zhì)剖面。

4 應(yīng)用實例分析

跨孔地震CT在新建鐵路線橋梁樁基礎(chǔ)勘察中基開展了大量的測試工作。在橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)計中,一般根據(jù)不同的承載力設(shè)計為樁數(shù)和樁距不同的工程類型。在開展跨孔地震CT測試中,根據(jù)樁基礎(chǔ)內(nèi)不同的樁孔及鉆孔位置,設(shè)計相應(yīng)的觀測系統(tǒng)。以某特大橋橋址54號樁基礎(chǔ)為例(見圖2),基礎(chǔ)內(nèi)鉆孔揭示該地區(qū)巖溶弱發(fā)育或中等發(fā)育,先對該區(qū)鉆探資料及波速影像圖進行充分的綜合分析、對比,確定該地區(qū)各類巖土層的波速范圍及地質(zhì)特征(見表1)。

圖2 某特大橋54號樁基礎(chǔ)鉆孔及測線平面示意

表1研究區(qū)內(nèi)巖土層彈性波速

物探分區(qū)跨孔彈性波波速/(m/s)鉆孔巖芯特征完整灰?guī)r≥4500鉆探中巖芯完整,呈長柱狀,短柱狀,無溶洞溶蝕裂隙發(fā)育區(qū)2500～4500鉆探中巖芯呈短柱狀或碎塊狀,或見溶蝕、裂隙發(fā)育現(xiàn)象。局部見規(guī)模較小(幾十厘米以內(nèi))的小溶洞巖溶1500～2500鉆探中見規(guī)模較大的溶洞或串珠狀的溶洞,多為泥充填覆蓋層≤2500基巖面以上的區(qū)域,飽和含水,部分可能存在有孤立的風化殘余巖塊

從圖3中的跨孔地震CT反演解釋剖面圖中可以看出,基巖與覆蓋層在波速上差異明顯,在高程-2～10 m之間,剖面L1、L2、L3、L4均存在一明顯的帶狀低速帶,結(jié)合鉆孔資料推斷為礫巖中夾有一層軟弱的粉砂巖。在高程-4 m左右,礫巖巖石中存在相對較低的低速區(qū),因礫巖成分中含有灰?guī)r成分,推斷位不同程度的溶蝕裂隙發(fā)育。經(jīng)過驗證,鉆孔揭示實際地層與地震CT反演結(jié)果吻合,充分說明巖溶及裂隙發(fā)育在空間位置的準確,從而為墩臺設(shè)計提供豐富的勘察資料。

圖3 某特大橋54號樁基礎(chǔ)跨孔地震CT反演解釋剖面

圖4為某特大橋7號樁基礎(chǔ)平面示意,剖面線由ZK-1、ZK-2、ZK-5、ZK-10鉆孔組成。圖5為7號樁基礎(chǔ)跨孔地震CT反演解釋剖面,經(jīng)過對比分析,劃分出巖層界線?？梢钥闯?，在ZK-5、ZK-10兩孔分界位置對應(yīng)地層連續(xù)。也同時說明了反演結(jié)果符合地層規(guī)律。基巖以下位置中存在明顯的低速帶區(qū)域,呈不同傾向的條帶狀分布,分布范圍較大。根據(jù)鉆孔揭示的地層推斷低速帶為巖溶裂隙發(fā)育區(qū)。

圖4 某特大橋7號樁基礎(chǔ)鉆孔及測線平面示意

圖5 某特大橋7號樁基礎(chǔ)跨孔地震CT反演解釋剖面

在此次跨孔地震CT技術(shù)的應(yīng)用當中,數(shù)據(jù)處理中初至?xí)r間盡管在軟件設(shè)計當中存在智能拾取,但是往往隨機性較大,需要加強人工干預(yù)判斷正確的時間記錄點,這也是工作流程中影響數(shù)據(jù)反演結(jié)果的重要環(huán)節(jié)，應(yīng)結(jié)合施工區(qū)區(qū)域地質(zhì)、地球物理特征，劃分合理的波速范圍與地質(zhì)特征相對應(yīng)。實際工作中需要結(jié)合不同的地質(zhì)情況,不同巖性的巖層巖溶發(fā)育特點綜合考慮，充分利用鉆孔揭露的地質(zhì)情況,從跨孔地震CT反演解釋剖面圖中準確地判斷波速異常位置及地質(zhì)體類別，從而提高成果解釋精度,提供可靠的地球物理及地質(zhì)信息。

5 結(jié)束語

采用跨孔地震CT技術(shù),有效利用鉆孔布置合適的觀測系統(tǒng),正確合理的處理和解譯資料,可以補充鉆孔之間的地球物理信息。彌補了單一靠鉆孔提供的以點帶面的地質(zhì)信息。通過本次在長昆線大量的工作試驗,與既有鉆孔和驗證鉆孔對比,實際地質(zhì)情況與地震CT反演結(jié)果具有較高的吻合度。

[1]何樵登,韓立國,朱建偉,等.地震波理論[M].長春:吉林大學(xué)出版社，2005

[2]何樵登,熊維綱.應(yīng)用地球物理教程：地震勘探[M].北京:地質(zhì)出版社,1991

[3]張賽民.跨孔地震層析成像研究[D].長沙：中南大學(xué)，2003

[4]孟憲波,王 銀.地震CT在哈大客運專線巖溶探察中的應(yīng)用[J].鐵道勘察,2008(6)

[5]周海濱,李志華.困難條件地形下地震反射在煤礦采空區(qū)的技術(shù)研究[J].鐵道工程學(xué)報,2010(2)

[6]侯 勇,王蓉川.巖溶地區(qū)樁基礎(chǔ)施工[J].鐵道工程學(xué)報,2010(3)

[7]瞿 辰,楊文采.于常青.高分辨率過井地震層析成像的級聯(lián)算法及其應(yīng)用[J].物探與化探,2010(5)

[8]張旻舳,師學(xué)明.電磁波層析成像技術(shù)進展[J].工程地球物理學(xué)報,2009(2)

[9]張連偉,郝 明，童孝忠.Matlab工具箱在大地電磁測深二維正演中的應(yīng)用[J].鐵道勘察,2007(1)

[10]譚衢霖,魏慶朝,楊松林,等.鐵路工程地質(zhì)遙感雷達圖像應(yīng)用分析[J].鐵道工程學(xué)報,2009(8)