張騰飛

(西南交通大學(xué), 四川成都 611756)

巖溶是威脅工程施工安全的重要因素。本工程位于某市地鐵盾構(gòu)區(qū)間，根據(jù)詳勘揭示的巖溶發(fā)育狀況，本段為強(qiáng)烈?guī)r溶發(fā)育區(qū)。隧道主要穿過(guò)中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r和溶洞。為避免施工過(guò)程中發(fā)生坍塌、涌水等工程事故，需要及時(shí)查明溶洞的分布、埋藏深度和發(fā)育程度等。

如果用常規(guī)地面物探方法，如高頻電磁波法，軟弱覆蓋層及巖溶充填物會(huì)吸收電磁波能量，電磁波能量衰減迅速，此時(shí)探測(cè)深度達(dá)不到要求；直流電法因受到表面高阻層如水泥或?yàn)r青路面屏蔽傳導(dǎo)電流的影響，探測(cè)效果也不好。相比較而言，跨孔地震CT 技術(shù)在基巖中激發(fā)彈性縱波，由于鉆孔的存在，探測(cè)深度基本不受影響，勘探的準(zhǔn)確性也有很大的保證。除此之外，跨孔地震CT技術(shù)可對(duì)鉆孔間的巖土體進(jìn)行依次掃描，并對(duì)目標(biāo)探測(cè)區(qū)內(nèi)介質(zhì)的波速成像，使得孔間異常體能在圖中直觀地表現(xiàn)出來(lái)[1]。因此利用地震CT技術(shù)探測(cè)巖溶及軟弱不良地質(zhì)體分布是一種有效的方法。對(duì)跨孔地震 CT 技術(shù)來(lái)說(shuō)，成像分辨率是制約解釋精度的重要因素。它既受激發(fā)頻率、觀測(cè)系統(tǒng)等硬件性能的影響，也受反演軟件的影響[2]。針對(duì)石油物探的反演軟件已得到廣泛應(yīng)用，從走時(shí)反演的發(fā)展來(lái)看，其核心算法從分辨率極低的反投影技術(shù)(BPT)，過(guò)渡到以聯(lián)合迭代重建技術(shù)(SIRT)和正交分解(LSQR)為代表的迭代法[3-4],目前針對(duì)工程物探的反演軟件在近些年的發(fā)展中也得到了很大的應(yīng)用。2009 年李曙光[5]和李天琪等[6]在巖溶勘察中利用了井間CT技術(shù)，并取得了良好的應(yīng)用效果。2010 年白文勝將井地地震CT技術(shù)與地面折射法相結(jié)合對(duì) FAST 的臺(tái)址的洼地進(jìn)行了勘探，結(jié)果顯示物探在對(duì)臺(tái)址洼地探測(cè)中發(fā)揮了重要作用[7]。2012年，葉月明等研究了基于小波束算子的井間地震CT技術(shù)[8]。

跨孔地震CT技術(shù)，由于是在兩個(gè)鉆孔之間進(jìn)行激發(fā)與接收，因此采集到的數(shù)據(jù)信噪比很高，可靠性高，并且與傳統(tǒng)的物探方法相比，有明顯的優(yōu)越性，更加經(jīng)濟(jì)。通過(guò)和相應(yīng)的鉆孔資料相對(duì)比，跨孔地震 CT 結(jié)果具有很高的精度，并且能夠直觀圈定出巖溶位置范圍及其發(fā)育分布形態(tài)，為工程建設(shè)提供了可靠的依據(jù)。近些年來(lái)地震CT技術(shù)在城市巖溶探測(cè)方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)展，如南京地鐵、武漢地鐵、福州地鐵均有相關(guān)應(yīng)用，具有良好效果。

1 跨孔地震CT層析成像原理

跨孔地震CT層析成像(簡(jiǎn)稱地震CT)在巖溶勘察中的應(yīng)用,是基于完整灰?guī)r與巖溶(包括充填物)溶蝕裂隙及上覆土層之間存在明顯的縱波波速差異。這種波速差異是在巖溶發(fā)育地區(qū)開展地震CT勘察良好的地球物理前提。

根據(jù)不同的巖體彈性參量不同，傳播速度也就不同,巖土體縱波傳播速度可按下式計(jì)算：

式中，VP為縱波速度；E為介質(zhì)的楊氏彈性模量，ρ為介質(zhì)的密度；μ為介質(zhì)的泊松比。由于不同巖土體的楊氏彈性模量，密度及泊松比均存在差異，利用這一規(guī)律，當(dāng)射線穿過(guò)被探測(cè)目標(biāo)體時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)旅行時(shí)差，再根據(jù)地震波旅行時(shí)差特征和合適的反演模型即可判斷震源與接收點(diǎn)間的巖土體情況(圖1)。

圖1 地震CT技術(shù)的工作示意

2 跨孔地震CT法探測(cè)巖溶

2.1 場(chǎng)地工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

某市地鐵5號(hào)線巖溶段第四系覆蓋層厚 5～29 m，主要為第四系全新統(tǒng)海積層(Q4m)、全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)、殘坡積層(Qdl+el)，基巖為燕山期侵入巖輝綠巖(βμ)、震旦系甘井子組(Zwhg)白云質(zhì)灰?guī)r、震旦系南關(guān)嶺組(Zwhn)灰?guī)r、震旦系長(zhǎng)嶺子組(Zwhc)鈣質(zhì)板巖、板巖夾泥灰?guī)r?；鶐r全強(qiáng)風(fēng)化帶厚度變化較大，中等風(fēng)化基巖埋深介于5.5～46 m之間。

地下水共有兩種存在方式：賦存于雜填土、粉土、細(xì)砂、卵石層中的松散巖類孔隙水，補(bǔ)給來(lái)源為海水及大氣降水，水量豐富。賦存于基巖裂隙、巖溶裂隙或溶洞中的基巖裂隙水和巖溶水，補(bǔ)給來(lái)源為海水，水量較豐富。場(chǎng)區(qū)地下水與海水相連，地下水位受海水潮汐變化影響

2.2 觀測(cè)系統(tǒng)布置

觀測(cè)系統(tǒng)的布置與巖溶發(fā)育區(qū)的不良地質(zhì)體的大小有關(guān)。本次工程的盾構(gòu)機(jī)重心為5 m，考慮CT物探盲區(qū)應(yīng)控制在4.5 m以內(nèi)。按照下圖進(jìn)行CT測(cè)線布置。考慮到盾構(gòu)機(jī)的直徑，只需要有1 m 的分辨率所以其檢波器的道間距設(shè)置為1 m(圖2)。

圖2 鉆孔及測(cè)線布置示意

2.3 參數(shù)設(shè)置

參數(shù)的選取和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況相關(guān)，本次探測(cè)區(qū)域兩鉆孔間跨度約15 m，鉆孔完成后需要用PVC管進(jìn)行預(yù)處理，防止塌孔，并在孔底進(jìn)行密封，對(duì)管內(nèi)進(jìn)行灌水處理，以增強(qiáng)檢波器串的耦合效果。由于本次勘測(cè)地區(qū)巖溶發(fā)育較強(qiáng)，遂采用5 000～7 000 J的震源作為實(shí)測(cè)震源，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，在巖溶發(fā)育極為強(qiáng)烈的地段采用雙電容箱加大震源激發(fā)能量，以此提高信噪比。

地震波激發(fā)采用縱波放電激發(fā)探頭，激發(fā)能量為5 000 J。地震波接收采用24道檢波器串，每個(gè)檢波器間距為1 m 。探測(cè)過(guò)程中,將激發(fā)震源從孔底至孔口依次上提1 m ，激發(fā)點(diǎn)距為1 m，每5或10 m需要驗(yàn)證震源點(diǎn)的位置以保證探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)孔深約40 m，對(duì)于數(shù)據(jù)的處理先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行記錄選排，再進(jìn)行初至波的拾取工作，根據(jù)得到的初至波時(shí)長(zhǎng)，進(jìn)行反演分析(圖3)。

圖3 地震初至波拾取示意

2.5 反演圖像分析

某測(cè)線巖溶反演圖及巖溶范圍圈定圖見(jiàn)圖4。

圖4 某測(cè)線巖溶反演圖及巖溶范圍圈定(波速/(km·s-1))

一般我們認(rèn)為完整灰?guī)r區(qū)域的波速大于4 500 m/s，灰?guī)r裂隙區(qū)域的波速為2 800～4 500 m/s，上覆土層及巖溶充填區(qū)波速小于2 800 m/s 。

由反演圖像及前期所得到的鉆孔巖芯巖性，可以對(duì)巖溶發(fā)育區(qū)的不良地質(zhì)體進(jìn)行范圍圈定，對(duì)于黑色區(qū)域部分(波速小于2 800m/s)，該部分波速明顯與周圍巖土體波速不同，一般考慮為充填淤泥或水的巖溶洞穴，對(duì)于充填淤泥或充水巖溶洞穴應(yīng)在施工中特別注意；上圖所示灰色部分(波速2 800～4 500 m/s)一般認(rèn)為是巖溶強(qiáng)風(fēng)化區(qū)域；對(duì)于(波速大于4 500 m/s)一般認(rèn)為是完整基巖段,如圖中完整灰?guī)r區(qū)域。

3 結(jié)論

(1)地震跨孔CT層析成像技術(shù)的測(cè)試結(jié)果精度較高，能有效反映區(qū)間地層信息。雖然存在一定的誤差，但對(duì)于地下巖溶、軟土地層等不良地質(zhì)體的探測(cè)能夠滿足隧道施工需求，可應(yīng)用于隧道盾構(gòu)前期預(yù)報(bào)中。

(2)數(shù)據(jù)反演結(jié)果的真實(shí)性和有效性直接影響目標(biāo)體的探測(cè)精度，尤其是目標(biāo)體范圍的探測(cè)。在這方面對(duì)于反演的物理模型有比較高的要求，且地球物理探測(cè)具有多解性，除單一的跨孔地震CT方法外，對(duì)于巖溶等不良地質(zhì)體的位置圈定需要根據(jù)地質(zhì)鉆孔等其他地質(zhì)資料的相互印證。