應用彈性波CT技術測試巖體灌漿效果

李新寶，陳 霞，柴緒令，方玉滿，郭民龍

（1.吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林 長春 130012；2.遼寧省冶金地質勘查局地質勘查研究院，遼寧 鞍山 114038）

0 引言

當巖體存在破碎或局部不連續時，破壞了巖體的均一性，降低了強度，工程中需要灌漿以達到增強巖體完整性，提高巖體強度的目的。灌漿是否達到預定的效果，需要采用物探方法進行檢測，彈性波CT技術就是有效的檢測方法之一。

彈性波CT方法，又稱彈性波層析成像技術，是通過在孔中發射和接收彈性波，通過一定的觀測采集方式和數據處理方法，得到彈性波在巖體內傳播速度信息的一種技術方法。由于彈性波傳播速度的大小與巖體的堅硬和完整程度相關，同種巖性下，堅硬且完整的石具有較高的波速，因此，利用波速分布信息的成像結果，可以分析和確定出低速區域，評價灌漿效果，或確定灌漿位置。

1 基本原理

彈性波CT成像，首先通過扇形測試獲得大量的首波走時數據，然后通過求解大型矩陣方程獲取兩孔之間速度剖面圖像。設在成像剖面內測有N條射線，首先根據測試精度將剖面分為M個網格，以射線理論為基礎的成像方法歸結為求解如下方程：

式中lij是第i條射線在第j個單元內的路徑長度；Sj是第j個單元的慢度（1/V）值；ti是第i條射線的走時值。

用SIRT解上述方程步驟如下：

1）用直射線方法計算各單元平均慢度值S(0)。設某一單元內有n條射線通過，lm是其中第m條通過單元的射線長度，且其射線總長為Lm，走時為Tm，則通過單元所用的時間分配tm=Tmlm/Lm，n條射線通過單元的總時間分配為，總長度分配為，則該單元的平均慢度S=tn/ln。

2）用聯合迭代（SIRT）算法校正各單元慢度值（S）。設某一單元內共有n條射線通過，Tm′，Tm分別是通過該單元的第m條射線的計算走時和實測走時，lm（可用直射線或者彎曲射線追蹤算法求出）是射線通過該單元內的長度。則分配給該單元的走時誤差 εm=（Tm-Tm′）lm/Lm，n 條射線通過單元內總走時誤差為，總射線長度為，單元慢度S用下式校正：

計算時可根據測區性質加一限制條件，使（1/Vmax）＜S（k+1）＜（1/Vmin）提高計算精度。

2 應用實例

遼寧某基礎處理工程，測區基巖為大理巖及變質巖，由于長期的地質運動及人類采礦等活動造成了基巖巖體破碎、裂隙發育、巖體強度降低等問題。為了提高巖體的完整性、加大巖體整體強度、增強巖體的穩定性，需要對測區巖體進行灌漿處理。為了解灌漿效果，在灌漿前后進行了地震CT觀測。

2.1 工作方法與技術

根據測試要求及實際情況，本次彈性波CT成像測試工作采用在一個鉆孔中用電火花震源激震，另一鉆孔中用12個檢波器的檢波器串進行接收的孔間透射方式，激發點距1 m、接收點距1 m。每一個激發及接收點均形成一個扇形區域。再根據不同路徑的彈性波走時應用WYS2003軟件進行反演計算并繪制孔間速度變化的色譜圖像。

使用的儀器為 SE2404EE型地震儀和電火花震源。

2.2 數據處理

在外業實測的彈性波CT原始記錄上，讀取每一炮點的每一接收道的直達波初至時間。應用“WYS2003彈性波CT層析成像軟件”進行輸入處理，形成觀測系統圖、數據曲線圖、成像剖面圖。

數據處理時，根據實際情況選擇各種參數，一般采用直射線聯合迭代法，迭代次數一般小于50次，計算殘差小于3.0。

2.3 資料分析

1）灌漿前勘察資料分析

圖1 ZK9—ZK10孔彈性波CT成像剖面圖

圖1為灌漿前勘察獲得的ZK9-ZK10孔之間的CT剖面圖，從圖中可以看到，測量范圍內巖體波速均勻性很差，巖體波速集中在2500～4500 m/s的區域，占72.6%，低于2500 m/s部分占16.9%、高于4500 m/s的部分占10.5%。分析認為：灌漿前的巖體整體波速較低，完整性較差。

2）灌漿后測試資料分析

從灌漿后檢測鉆孔j8-j13的彈性波CT觀測系統圖（由于施工后場地變化j8，j13未在原勘察孔位置，但距ZK9，ZK10孔不超過6 m），可以看出，激發和接收點距均為1 m，根據彈性波CT分辨率應滿足：設d為異常體尺寸,Δx為激發點距離和接收點距離,觀測系統激發點和接收點布置應該盡可能滿足Δx≤d/3[1，5]。 次觀測系統安排合理，能夠滿足測試要求。

從j8～j13彈性波CT數據曲線中可以看到，在第24，31，37組數據中各有1個離散值，其他數據正常，剔除3個離散值后進行反演計算，得到j8～j13孔彈性波CT成像剖面圖。

灌漿后的檢測鉆孔為J8～J13，孔間距16.0 m，激發和接受點距均為1 m。在獲得的觀測數據中，其第一組數據的擬合曲線，首波走時離散度較小，其他各組數據較均勻。

圖2 j13-j8孔彈性波CT成像剖面圖

圖2為J8-J13地震CT成像結果，由圖可見，兩孔間巖體波速較均勻，局部波速小于4650 m/s占 1.8%；大部在 4650～5500 m/s占 93.7%；部分巖體波速大于5500 m/s占4.3%。

由此可見，經灌漿處理后，巖體的波速大大提高，巖體的整體性得到了增強，巖體更加均勻，其強度等物性指標也得到了提高，表明灌漿工作取得了較好的效果。

3 注意的問題

1）在工作開始前，應根據任務要求、現場實際情況等設計好觀測系統。在彈性波CT工作中觀測系統十分重要，因為不同的射線密度和射線角度直接影響著成像質量和能夠發現的最小異常。

2）在數據的采集過程中，要特別注意：震源起震與儀器記錄起跳時間的一致性。

3）在用WYS2003軟件繼續數據反演時，各項參數應根據實際情況選擇，初始單元列數不宜過大或太小，否則將引起失真，圖形應用插值圓滑處理。

4 結語

應用實例表明，彈性波CT技術具有設備比較簡單，施工方便，信息量大，對空間位置的反應精細。在彈性波CT剖面圖上可以對巖體進行比較全面的判斷，可以比較直觀的看到巖體內各波速帶的位置、形態等特征，是一種能夠對比較大的巖體進行波速測試的技術，具有一定的先進性和實用性。

[1]王運生，顧漢明，王家映彈性波CT關鍵技術與應用實例[J].工程勘察，2005，（3）.

[2]王運生.最佳路徑算法在計算波路中的應用[J].物探化探計算技術,1992，（1）.

[3]董清華，朱介壽.井間電阻率層析成像及其應用[J].計算物理，1999（5）.

[4]董清華.井間地球物理成像與工程勘察[J].工程勘察，1999，（4）.

[5]陳國金.井間觀測系統的討論[J].石油物探,1996（3）.