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        基于地震CT的地鐵工程鉆孔詳查技術(shù)研究

        2013-05-14 06:03:42侯偉清
        實驗流體力學(xué) 2013年4期
        關(guān)鍵詞:炮點檢波器震源

        侯偉清 葉 英

        (北京市市政工程研究院,北京 100037)

        我國目前正處于地鐵建設(shè)的高峰期,必然帶來大規(guī)模的地鐵勘察工作。一般地鐵埋深在20~30 m左右,勘察難度在于需要考慮較多的城市環(huán)境問題,以及淺部管線、交通等。地震CT技術(shù)作為一種物探技術(shù),如今越來越多的應(yīng)用在工程領(lǐng)域中,通過將地震CT技術(shù)與鉆孔相結(jié)合,并結(jié)合透射法及反射法,研發(fā)一套地震CT空間探測系統(tǒng)。

        1 研究背景

        1.1 地層劃分

        地鐵勘察中,由于采用鉆探取樣及室內(nèi)試驗或靜力觸探確定地層信息,地層分布圖往往通過兩鉆孔的地層資料直線相連得到,孔距或土樣擾動過大會降低地層劃分的精度。

        (1)鉆孔間距

        根據(jù)《地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規(guī)范》5.3.3、5.4.3,初勘階段鉆孔的間距為100~200 m,詳勘階段鉆孔的間距根據(jù)表1確定[2]。

        表1 勘探孔間距 m

        在地鐵區(qū)間的地質(zhì)勘察中,鉆孔間距一般在30 m以上,分布較為稀疏,而由于自然及人為作用,地層的實際情況十分復(fù)雜,相鄰鉆孔間的地層情況以“點探”并兩點連線作為地層劃分可能存在較大的誤差,對地鐵施工的指導(dǎo)作用有待商榷。

        (2)土樣信息

        對于鉆探得到的土樣,由于運輸及取樣時存在擾動的問題,由此進行室內(nèi)土工試驗所得地層信息可能存在偏差。

        為獲得準確的地層信息,實際工程中往往將鉆探與物探技術(shù)相結(jié)合。地震CT以其激發(fā)能量較小、勘探精度較高等特點,能夠?qū)崿F(xiàn)對地層的精細描述。

        1.2 地震CT技術(shù)

        人工震源(如機械敲擊、可控震源、爆炸等)所激發(fā)產(chǎn)生的地震波在地下巖層、土壤或其他介質(zhì)中傳播時,通過彈性特征各不相同巖層的分界面時,將產(chǎn)生反射或折射,并且有縱波、橫波、面波等之分,而這些不同類型的波具有不同的傳播速度、路徑、頻率和強度。利用直達波、反射波、折射波、面波等各種組合,及鉆孔、隧道、邊坡、地面、混凝土(如結(jié)構(gòu))等各種觀測條件,通過專門的反演算法可進行二維或三維地質(zhì)成像。

        目前,地震CT已經(jīng)發(fā)展成為一個方法系列,成像的物理量包括波速、能量衰減、泊松比等各種類型。本文所涉及的三維層析成像系統(tǒng)采用的是速度譜分析法和繞射疊加進行深度偏移來處理地震剖面,基于觀測點作為振動分量在空間取向的函數(shù)來追蹤地震波的相位[3]。

        對于地下空間模型,將其劃分為網(wǎng)格,把每個網(wǎng)格點作為反射點,對于反射點P,深度為H,所處的記錄道為Si(地表水平位置為Xi),掃描點P對應(yīng)任意記錄道Sj(地表水平位置為Xj)的反射波旅行時tij為[4]

        式中,m為參與偏移疊加的記錄道;v為地層的地震波傳播速度。多通道的初至波的tij算得后,再通過人工校正的方法將同相軸校正,選擇一系列的試驗速度然后進行各道取值疊加,一系列的速度就對應(yīng)一系列的振幅值構(gòu)成速度譜線。其疊加公式為[5]

        式中,gi(t)為第i道t時刻的樣值;K為時窗大小;A為平均振幅。

        經(jīng)過速度譜分析后,便可進行速度拾取,這樣巖土體在空間各個方向上就有了視速度的空間分布,該分布可進行深度偏移及巖土體參數(shù)計算。

        2 設(shè)備研發(fā)與調(diào)試

        地震波CT儀器通常都是由地震儀主機、檢波器串、震源以及觸發(fā)器組成,其中前三者是地震波CT儀器的主要部分,觸發(fā)器的功能是在震源發(fā)射的瞬間,給主機提供一個觸發(fā)信號,主機開始采集數(shù)據(jù),也就是銜接地震儀主機和震源的裝置[6]。本文所涉及的鉆孔與地面相結(jié)合的地震波空間探測方法,是在USP地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研發(fā)的。

        2.1 儀器組成

        (1)震源

        采用人工錘擊及電火花震源。

        (2)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

        MHHC采集器,256通道,該采集器具有多通道、高精度、高速、同步信號采集的特點。

        (3)檢波器

        PS-100A動圈式檢波器。

        目前在淺層地震勘探中,有效反射波的頻譜約為100~150 Hz,干擾面波的頻譜約為10~40 Hz,因此主要采用中高頻檢波器來接收地震波,如固有頻率40 Hz、60 Hz和100 Hz,一般來說,為了壓制低頻噪聲,提高信號主頻,拓寬地震記錄的高頻上限,選取100 Hz的檢波器[7]。

        (4)檢波器串

        地面檢波器串:64個檢波器,由68芯信號電纜串接而成,使用時一般將尾椎插入地面或?qū)z波器倒置并用石膏等耦臺劑黏接。

        孔中三分量檢波器串:70 mm/90 mm規(guī)格,分別應(yīng)用于內(nèi)徑70 mm及90 mm的測斜管,在鉆探封孔前下測斜管,利用測斜管內(nèi)壁上的十字槽滑動三分量檢波器。根據(jù)《建筑工程地質(zhì)勘探與取樣技術(shù)規(guī)程》及施工經(jīng)驗,在地鐵勘察中,用于鑒別與劃分地層的鉆孔孔徑一般在75 mm及以上,而取原狀土樣的鉆孔孔徑一般不小于91 mm[8]。

        (5)其他裝置

        68芯、20芯信號電纜,放線車,觸發(fā)器,鐵錘,航空插頭,卷尺等。儀器組成見圖1。

        圖1 儀器組成

        2.2 成像系統(tǒng)

        本系統(tǒng)所涉及的地震CT三維成像系統(tǒng)是在USP系統(tǒng)的基礎(chǔ)上二次開發(fā)而成,USP系統(tǒng)為北京市市政工程院研發(fā)的地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng),系統(tǒng)應(yīng)用見圖2。

        圖2 USP21系統(tǒng)

        相比于其他CT反演軟件,地震CT三維成像系統(tǒng)具有以下特點。

        (1)可編輯的ini文件:ini文件為windows下的配置文件,用戶可自定義接收器及炮點的位置信息,以實現(xiàn)排布與接收的靈活設(shè)置;

        (2)多震源、多接收器以及多次疊加次數(shù)的方法組合:多達256通道的數(shù)據(jù)采集及多炮點的聯(lián)合(覆蓋),從而構(gòu)成高密度的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體,多次疊加能壓制噪聲,提高信噪比;

        (3)三維數(shù)據(jù)圖像:具有整體性強、直觀等特點,且能夠從不同方向任意切割、安裝,能對任意一個面作細化描述,整個過程可平移、放大、旋轉(zhuǎn),從而實現(xiàn)最佳顯示。

        2.3 室內(nèi)試驗

        室內(nèi)試驗?zāi)康氖钦{(diào)試設(shè)備及測試三維地震CT成像的有效性,為下一步的野外試驗做準備。圖3為地面觀測系統(tǒng)設(shè)計,由于室內(nèi)條件下孔中CT測試條件不滿足,只進行地面多個炮點文件的聯(lián)合成像,圖4~7分別為單次激發(fā)所得的波形圖,圖8為反射法聯(lián)合成像。

        圖3 地面觀測系統(tǒng)設(shè)計

        圖4 地面檢波器串波形圖

        圖5 地面檢波器串波形變密圖

        圖6 三分量檢波器串(70 mm規(guī)格)波形圖

        圖7 三分量檢波器串(90 mm規(guī)格)波形圖

        圖8 反射CT聯(lián)合成像——等值面圖

        圖像分析:單次激發(fā),地面與三分量檢波器串波形重復(fù)性好,同相軸明顯且無斷層,與震源及檢波器布置契合;通過聯(lián)合成像,本套設(shè)備可有效實現(xiàn)三維地震CT成像,能對地下結(jié)構(gòu)體輪廓作出一定精度的描述。

        室內(nèi)試驗表明,本套裝置測得的均一介質(zhì)地震圖譜規(guī)律性明顯,進一步做院內(nèi)測試,試驗表明裝置性能良好,并能實現(xiàn)三維CT成像,可進入現(xiàn)場試驗測試。

        3 野外操作步驟

        本系統(tǒng)工作方法:利用電火花震源孔中激振或者人工錘擊產(chǎn)生地震波,同時通過外觸發(fā)的方式同步到數(shù)據(jù)采集儀,通過地面檢波器串以及孔中三分量檢波器串接收直達波或者反射波,并記錄到數(shù)據(jù)采集儀上,利用計算機技術(shù)實現(xiàn)對各地層信息的采集與判譯,對鉆孔間地層分層情況作出詳細的描述,工作示意見圖9。

        圖9 工作示意

        具體操作步驟如下:

        ①根據(jù)待測現(xiàn)場地形條件及周邊環(huán)境,選擇震源的激發(fā)方式并設(shè)計檢波器的排布方式、炮點排布。

        ②勘察孔封孔前安裝護壁管,護壁管的外徑有90 mm、70 mm兩種規(guī)格,對于錘擊震源,放置并連接觸發(fā)器,對于電火花震源,在另一勘察孔內(nèi)注水,連接電火花探頭并伸入水面以下。

        ③地表面與探測孔布設(shè)檢波器串,檢波器串與位于地面的數(shù)據(jù)采集儀連接,數(shù)據(jù)采集儀與計算機連接。

        ④打開計算機,根據(jù)地質(zhì)情況選擇合理的探測參數(shù),例如采樣率、采樣點數(shù)等,并讀取位置信息。激發(fā)震源,計算機同步收到地震波的走時資料,并對這些聲學(xué)參數(shù)及波形變化做分析研究,得到地震CT空間成像圖。

        ⑤進行地質(zhì)情況的判譯,分析地層信息情況,操作流程見圖10。

        4 工程實例

        4.1 勘察資料

        以北京某地鐵段地質(zhì)勘查為例,鉆孔編號為CD05,位于朝陽公園西側(cè)停車場,地勢空曠,外界干擾少,探得地下水位距地表5~6 m,鉆孔位置及地層分布見圖11、圖12。

        根據(jù)鉆探結(jié)果,CD05處地層分布為:0~1.1 m為地層①(粉土填土),1.1~5.2 m為地層①1(雜填土),5.2~8.3 m為③1(粉質(zhì)黏土),8.3~12.2 m為④3(粉細砂),12.2~15.4 m為④(粉質(zhì)黏土),15.4~16.9為④3(粉細砂),16.9~19.5 m為⑤1(中粗砂),19.5~23 m為⑥(粉質(zhì)黏土),23~24.5 m為⑦2(粉細砂),24.5~29.1 m為⑦1(中粗砂),29.1~31.6 m為⑦(圓礫)。

        圖12 地層分布

        4.2 觀測系統(tǒng)

        本次試驗采取錘擊作為震源,檢波器及炮點排布見圖13、圖14。

        圖13 透射法三維觀測系統(tǒng)

        圖14 反射法炮點及接收器排布

        透射法布置:孔中布設(shè)三分量,間距1 m,深度18 m;炮點間距1 m,共計134炮,具體位置見圖13。

        反射法布置:檢波器間距為0.25 m,共布設(shè)64個檢波器;炮點間距1 m,共布設(shè)4條測線,共計54炮,具體位置見圖14。

        4.3 圖像判譯

        圖像解釋:圖15、圖16、圖17為三維原始數(shù)據(jù)等值面圖,從圖中可以看出地表處能量較強,地下1.5至6 m左右能量弱,6 m以下,隨著深度加大圖譜中顏色也逐漸加深,即反射能量逐漸加強,并能明顯看出分界情況。結(jié)合場地條件及地質(zhì)資料:地表處為透水磚及瀝青路面(見圖18),較為密實,地震波傳播速度快;地表至地下5 m為填土,土質(zhì)疏松;現(xiàn)場測得地下水位深度為6 m,一般來說,當(dāng)土層孔隙中充滿流體水時,土層縱波波速會迅速的上升至1 400 m/s(水的縱波波速);隨著深度的加深,土骨架本身的縱波波速會超過1 400 m/s,且分層情況明顯。

        圖15 透射三維層析成像圖16 透射三維層析成像(另一角度)圖17 反射三維層析成像(0~10m)圖18 場地及現(xiàn)場照片

        試驗表明:本套系統(tǒng)對地層構(gòu)造較為敏感,地層分界較為明顯,基本與勘察資料吻合。

        5 結(jié)束語

        本文提出了基于地面與孔中相結(jié)合的地震CT空間探測方法,相比較傳統(tǒng)的地層劃分方法,本系統(tǒng)能更好的反映地層分界及變化情況,能為地鐵設(shè)計與施工提供較為精細的地層信息,可作進一步的研究及應(yīng)用。

        [1] 葉英,侯偉清,張鵬.一種基于鉆孔與地面相結(jié)合的地震波空間探測方法[P].專利號:201210409578

        [2] 北京市城建勘察測繪院.GB 50307—1999 地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,1999

        [3] 葉英.隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報新方法研究[J].地下空間與工程學(xué)報,2010,6(3):521-525

        [4] 徐玉增,盧海.偏移繞射技術(shù)在探地雷達資料處理中的應(yīng)用[J].能源技術(shù)與管理,2010(5):17-18

        [5] 葉英.隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報[M].北京:人民交通出版社,2011:262

        [6] 毛星.地震波CT應(yīng)用中觸發(fā)器的改良[J].工程物理學(xué)報,2011,8(6):677-680

        [7] 劉保金,張先康,等.城市活斷層探測的高分辨率淺層地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)[J].地震地質(zhì),2002,24(4):524-532.

        [8] 中南勘察設(shè)計院有限公司.JGJ/T87—2012建筑工程地質(zhì)勘探與取樣技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011

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