王 僑 熊 鋒 夏天游 商 祥

(中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430056)

引言

在海域巖溶勘察中,傳統(tǒng)鉆探方法成本較高,且存在“一孔之見”的局限性,單憑鉆探資料難以對(duì)海底巖溶發(fā)育規(guī)模與分布情況做出整體判斷。 因此,選取合適的物探方法進(jìn)行巖溶勘察顯得尤為重要。 近年來(lái),綜合物探技術(shù)在工程勘察中得到廣泛應(yīng)用。 李耐賓等將微動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于大連地鐵巖溶勘察中,驗(yàn)證微動(dòng)技術(shù)在城市復(fù)雜環(huán)境下的地下巖溶勘察中的應(yīng)用效果[1];沈磊在廈門灣海底隧道工程中,利用海域地震反射法確定基巖上覆蓋層的厚度及起伏情況,發(fā)現(xiàn)淺層地震反射波法在水底隧道勘查中具有良好的效果[2];袁偉等將瞬變電磁法等綜合物探方法應(yīng)用于煤田采空區(qū)和溶巖發(fā)育區(qū)的隧道勘察中,認(rèn)為多種方法組合物探有助于提高勘探結(jié)果的精度和可靠性[3];邱鍇等將高密度電法、瞬變電磁法等綜合物探方法應(yīng)用于某陸地公路隧道巖溶地質(zhì)勘察中,認(rèn)為結(jié)果表明綜合物探方法可以有效圈定溶巖發(fā)育位置和分布范圍[4];吳軍國(guó)等研究跨孔彈性波CT 層析成像法在隧道巖溶勘察中的應(yīng)用,從理論上證實(shí)該方法的可行性[5]。 然而受海域場(chǎng)地及海水特殊介質(zhì)影響,這些方法在海域巖溶勘察中的應(yīng)用效果還有待驗(yàn)證。 結(jié)合大連地鐵5 號(hào)線某區(qū)間海域巖溶勘察實(shí)例,采用海域地震反射技術(shù)及海域瞬變電磁技術(shù)對(duì)場(chǎng)區(qū)巖溶發(fā)育程度進(jìn)行分區(qū),掌握?qǐng)鰠^(qū)巖溶發(fā)育大致趨勢(shì),再采用跨孔彈性波CT 方法查明單個(gè)巖溶發(fā)育特征、規(guī)模,以期取得良好的勘察效果。

1 物探各方法原理簡(jiǎn)介

1.1 海域地震反射法

海域地震反射法是一種利用海底各巖土介質(zhì)的彈性差異探測(cè)地下目標(biāo)物的物探方法[6],其原理示意見圖1。 在離震源較近的若干觀測(cè)點(diǎn)上,測(cè)定從震源經(jīng)各彈性地層界面反射回檢波器的地震波旅行時(shí)間,測(cè)線不同位置上的法線反射時(shí)間變化反映地下地層的構(gòu)造狀態(tài),從而達(dá)到劃分地質(zhì)層位或斷裂破碎帶、巖溶等地質(zhì)情況的目的。 與陸地地震反射法相比,海域地震反射信號(hào)受海底及水面多次反射波干擾嚴(yán)重,需要復(fù)雜的后期濾波處理[7]。

1.2 海域瞬變電磁法

海域瞬變電磁法是一種時(shí)間域人工源電磁感應(yīng)類物探方法[8],其原理示意見圖2。 瞬變電磁儀利用發(fā)射線圈發(fā)射強(qiáng)大的周期性電磁脈沖信號(hào)(一般為方波的上升沿或下降沿),脈沖電磁波信號(hào)在地下導(dǎo)電介質(zhì)中感應(yīng)出周期性變化的渦旋電流場(chǎng),這些渦流場(chǎng)在擴(kuò)散過(guò)程中由于受到不同電性介質(zhì)的散射作用,產(chǎn)生隨時(shí)間變化的二次感生電磁場(chǎng)。 通過(guò)接收線圈接收這些二次場(chǎng),并對(duì)其中包含的地電信息進(jìn)行提取和解釋,從而達(dá)到探測(cè)地下不同電性介質(zhì)的目的[9]。

圖2 瞬變電磁觀測(cè)示意

1.3 跨孔彈性波CT 法

跨孔彈性波CT 法(亦稱跨孔地震CT)是一種在不同鉆孔中開展的地震層析成像技術(shù),其原理示意見圖3。 在一個(gè)鉆孔的不同深度激發(fā)地震波信號(hào),另一鉆孔中通過(guò)檢波器陣列接收穿透孔間地質(zhì)體的地震波信號(hào),利用計(jì)算機(jī)對(duì)接收信號(hào)的初至波走時(shí)、能量(振幅)及波形變化進(jìn)行層析成像處理,從而重建出孔間地質(zhì)體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖像[10],這項(xiàng)技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與現(xiàn)代地震數(shù)字觀測(cè)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,其優(yōu)點(diǎn)為分辨率高、原理簡(jiǎn)單、圖像直觀等,主要用于地下精細(xì)結(jié)構(gòu)和目標(biāo)的探測(cè)。 其穿透能力取決震源激發(fā)能量的大小、巖層節(jié)理裂隙發(fā)育情況、巖溶發(fā)育情況等[11]。

圖3 彈性波跨孔CT 觀測(cè)示意

跨孔彈性波CT 所利用的地震層析成像方法,其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是Radon 變換[12],根據(jù)地震波傳播理論,地震波傳播時(shí)間t由其傳播慢度(速度的倒數(shù))沿著傳播路徑的線積分表示,即

式中,s為地震波傳播的速度;l為地震波傳播路徑;可將式(1)離散為

式(2)可簡(jiǎn)寫為L(zhǎng)x=t,對(duì)其進(jìn)行求解,就是層析成像計(jì)算的過(guò)程[13],已知介質(zhì)速度分布計(jì)算初至?xí)r間的過(guò)程稱為正演,已知初至?xí)r間計(jì)算介質(zhì)速度分布的過(guò)程稱為反演。 常見的正演算法有直射線追蹤和彎曲射線追蹤[14],反演算法有代數(shù)重建法、聯(lián)合迭代重建法、阻尼最小二乘法等[15]。

2 各方法應(yīng)用效果分析

2.1 研究區(qū)地質(zhì)概況

大連半島位于千山山脈的西南延伸部分,是遼東半島的最南端。 受到地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)及海水動(dòng)力對(duì)陸地長(zhǎng)期作用的雙重影響,其在地貌上多表現(xiàn)為低山丘陵,大地構(gòu)造上位于遼東臺(tái)背斜中復(fù)向斜的南翼,場(chǎng)區(qū)構(gòu)造斷裂見圖4。

圖4 場(chǎng)區(qū)構(gòu)造斷裂示意

大連半島的基巖主要為震旦系千枚巖、硅質(zhì)板巖、石英砂巖和灰?guī)r等,第四系地層主要為山前傾斜地帶堆積的坡洪積物,在沿海地帶表層分布有海相與海陸交互沉積物及沖洪積物[16-17]。 根據(jù)鉆探揭示,場(chǎng)區(qū)第四系地層主要為全新統(tǒng)人工填土、全新統(tǒng)海相沉積流塑狀淤泥或淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、松散-稍密狀粉砂,全新統(tǒng)沖洪軟塑-可塑狀粉質(zhì)黏土、含碎石黏土及稍密-中密狀中砂、卵石層,殘坡積粉質(zhì)黏土;基巖主要有震旦系長(zhǎng)嶺子組板巖、鈣質(zhì)板巖夾泥灰?guī)r,震旦系南關(guān)嶺組灰?guī)r,震旦系甘井子組白云質(zhì)灰?guī)r,局部穿插燕山期輝綠巖巖脈[18]。

2.2 研究區(qū)地球物理特征

根據(jù)測(cè)井及室內(nèi)試驗(yàn)資料,得到各巖土層縱波速度及視電阻率(見表1、表2),由表1、表2 可知,各巖土層存在明顯物性差異,為開展各種物探方法提供了物性前提。

表2 典型地層視電阻率統(tǒng)計(jì)

2.3 海域巖溶地球物理探測(cè)成果分析

為查清地鐵工程影響范圍內(nèi)海底溶洞的分布、形態(tài)及發(fā)育規(guī)律,采取“先宏觀后微觀”的勘察思路。 利用水面物探方法對(duì)場(chǎng)區(qū)巖溶發(fā)育情況進(jìn)行分區(qū),在不同巖溶發(fā)育區(qū)段采用不同孔間距的跨孔彈性波CT 法精細(xì)探測(cè)單個(gè)巖溶空間形態(tài)分布。 盾構(gòu)海域段長(zhǎng)度為2 310 m,其中巖溶發(fā)育段長(zhǎng)度為1 540 m,沿線位中線、左右邊墻及左、右鉆孔線布置5 條平行測(cè)線,水面物探測(cè)線布置見圖5。

圖5 水面物探測(cè)線布置(單位:m)

(1) 海域地震反射法分析

①預(yù)處理:數(shù)據(jù)激發(fā)延遲時(shí)間校正、剔除噪音道、頻譜分析與濾波去噪、等偏剖面、平移疊加增益處理、定義觀測(cè)系統(tǒng)(抽取共偏移道集)。

②剖面處理:動(dòng)校正,速度分析、震源顫尾清理、反褶積、海底多次反射波消除、小波道間系數(shù)相關(guān)法去噪、自動(dòng)或手動(dòng)拾取反射波組同相軸、時(shí)深轉(zhuǎn)換成圖。

③解釋處理:不同記錄數(shù)據(jù)頻譜對(duì)比,分析反射異常;縱橫剖面交點(diǎn)道對(duì)比,進(jìn)行解釋校正、檢測(cè)閉合差;結(jié)合鉆探資料進(jìn)行剖面地質(zhì)解釋[19]。 剖面解釋成果見圖6。

圖6 隧道中軸線地震反射時(shí)間剖面

本次地震反射探測(cè)發(fā)現(xiàn)了2 個(gè)物探異常帶(巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)),在幾條測(cè)線中均有反映,推測(cè)物探異常帶1 條(板巖與灰?guī)r巖性分界線)及風(fēng)化槽1 個(gè),后期均得到鉆孔驗(yàn)證。

(2)海域瞬變電磁法分析

本次采集的海洋瞬變電磁數(shù)據(jù)均采用5DTEM系統(tǒng)進(jìn)行處理。 其處理流程為首先進(jìn)行剔除原始數(shù)據(jù)突變值、去除噪聲信號(hào)、數(shù)據(jù)平滑濾波等處理,接著進(jìn)行一維數(shù)據(jù)反演,獲取電性隨深度變化曲線,最后將各測(cè)點(diǎn)曲線進(jìn)行插值處理形成擬二維剖面圖像[20]。

在瞬變電磁法野外測(cè)量過(guò)程中,可能遇到一些周期性信號(hào)的干擾,以及各種氣象等自然因素的影響,從而使衰減曲線上的某點(diǎn)產(chǎn)生較大的躍變,造成剖面上曲線的相互交叉。 使用曲線擬合的方法可以對(duì)數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行圓滑處理,從而剔除突變點(diǎn)。 本次曲線擬合利用最小二乘法,根據(jù)已有的數(shù)據(jù)點(diǎn),擬合出一條最接近于實(shí)際特性的曲線(見圖7)。

圖7 衰減曲線濾波示意

本次海域瞬變電磁勘探成果示意見圖8,測(cè)線范圍內(nèi)反演出3 個(gè)電阻率異常區(qū), 里程分別為DK11455 ～ DK11525、 DK11530 ～ DK11650 和DK11530～DK11650,表現(xiàn)為橫向展布的低阻區(qū)域,推測(cè)為巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)。 布設(shè)3 個(gè)驗(yàn)證鉆孔,YZK-01 位于推測(cè)強(qiáng)烈?guī)r溶發(fā)育區(qū)5-1-1 上方,鉆探揭露為中風(fēng)化灰?guī)r,裂隙發(fā)育,局部裂面溶蝕跡象明顯,無(wú)溶洞;YZK-02 位于5-1-2 內(nèi),鉆遇3 個(gè)溶洞,呈串珠狀排列,與地震勘探成果吻合,為全充填型溶洞,充填物為黏土和風(fēng)化巖;YZK-03 位于5-1-3 內(nèi),鉆遇4 個(gè)溶洞,呈串珠狀排列,為全充填型溶洞,充填物為黏土和風(fēng)化碎屑等。

圖8 右鉆孔測(cè)線瞬變電磁成果剖面

2.4 跨孔彈性波CT 法分析

本次數(shù)據(jù)采集作業(yè)的觀測(cè)系統(tǒng)見圖9。 選取2 個(gè)鉆孔分別為發(fā)射孔和接收孔,在發(fā)射孔按1. 0 m 間距設(shè)置激發(fā)點(diǎn),在接收孔布置以1. 0 m 間距的接收排列,每一個(gè)激發(fā)點(diǎn)發(fā)射地震波,接收排列上所有點(diǎn)進(jìn)行接收,激發(fā)點(diǎn)依次移動(dòng)進(jìn)行扇形掃描,直至結(jié)束。

圖9 跨孔彈性波CT 觀測(cè)系統(tǒng)

根據(jù)巖溶勘察要求和觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)置,選擇1.0 m×1.0 m 的反演網(wǎng)格進(jìn)行迭代計(jì)算,得到CT 剖面的波速分布(見圖10、圖11)。

圖10 彈性波跨孔CT 層析成像橫剖面(單位:m)

由圖10、圖11 可知,跨孔彈性波CT 成像能準(zhǔn)確掃描出HYRK190 號(hào)孔附近巖溶發(fā)育情況,在二維剖面上清晰反映溶洞與隧道洞身位置關(guān)系。

3 各方法的適用性及局限性

根據(jù)以上所述大連地鐵5 號(hào)線某跨海盾構(gòu)區(qū)間所穿越海域巖溶發(fā)育區(qū)的各物探方法應(yīng)用效果的分析,可以看出各物探方法在海底巖溶探測(cè)中具有不同的適用性及局限性。

首先采用的2 種水面物探方法成功劃分出巖溶發(fā)育規(guī)模即發(fā)育等級(jí)段落。 溶巖發(fā)育分區(qū)見圖12。

由圖12 可知,無(wú)論地震波類方法,還是電磁波類方法,都只能大致探測(cè)巖溶發(fā)育區(qū)域。 其探測(cè)精度無(wú)法滿足探測(cè)溶洞發(fā)育規(guī)模、特征等具體細(xì)節(jié)的要求。

在后期巖溶?？彪A段采用更為精確的孔間物探方法探測(cè)單個(gè)巖溶的發(fā)育情況。 孔間物探方法需與鉆孔配合,且要求孔間距不能過(guò)大,否則會(huì)造成不良結(jié)果:①在隧道平面位置上會(huì)存在較大觀測(cè)盲區(qū),易造成遺漏較大溶洞的情況;②地震波不能穿透或者接收信號(hào)較弱,均易造成異常誤判、漏判等情況,這也是彈性波跨孔CT 的局限性。

彈性波CT 測(cè)線平面布置見圖13、圖14,受隧道輪廓影響,在橫向間距不變的情況下,縱向鉆孔間距20 m 時(shí)彈性波CT 觀測(cè)平面盲區(qū)內(nèi)切圓直徑為8 m,縱向鉆孔間距11 m 時(shí)彈性波CT 觀測(cè)平面盲區(qū)內(nèi)切圓直徑為5 m。 應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程需要合理布置鉆孔間距。

圖13 彈性波CT 測(cè)線平面布置(單位:m)

圖14 彈性波CT 測(cè)線平面布置(單位:m)

4 結(jié)語(yǔ)

(1)海域巖溶勘察中采用“先宏觀后微觀”的物探方法能有效提高勘察效率,針對(duì)性地布置勘察工作量,起到事半功倍的效果。

(2)傳統(tǒng)的水面物探方法能從宏觀區(qū)域上劃分巖溶發(fā)育區(qū)段;采用“鉆孔+彈性波CT”相結(jié)合方法能較為精確地探查單個(gè)巖溶的空間形態(tài)分布。

(3)海域巖溶勘察中,受海水介質(zhì)低電阻良導(dǎo)電性性質(zhì)限制,其對(duì)海底電性介質(zhì)具有屏蔽效應(yīng),傳統(tǒng)的水面及孔間電法類物探方法不宜在海域中應(yīng)用。

(4)跨孔彈性波CT 方法能較為精確地探測(cè)局部單個(gè)巖溶的空間形態(tài),但在布置跨孔彈性波CT 測(cè)試間距時(shí)要考慮盲區(qū)對(duì)工程的影響。