地鐵地下工程中應用地震波CT技術探測孤石的參數選擇*

胡曉娟

(1.福建省地質工程勘察院,350002,福州; 2.自然資源部丘陵山地地質災害防治重點實驗室,350002,福州∥第一作者,工程師)

在地鐵地下工程施工過程中經常會遇到孤石,這可能會嚴重影響地鐵的施工進度,因此在地鐵施工前進行地下孤石的探測,確定施工區域內地下孤石的分布情況,有利于提高地鐵地下工程施工的效率。

地震波CT(計算機輔助層析成像)技術可在不損害測試對象的前提下“透視”測試對象的外部及內部結構,具有分辨率高、可靠性好、圖像直觀和信息量大等特點,通常用來探測規模較小但探測精度要求高的地下介質細結構[1-2]。CT技術探測參數(鉆孔間距、檢波點距及激發點距)的設定,直接影響了探測結果的分辨率。因此,很有必要關注這些探測參數,并就其對探測分辨率的影響開展研究。

1 地震波CT技術的原理

地震波CT技術通過對探測得到的彈性波各種震相的動力學(如波形、振幅、相位及頻率等)和運動學(如走時及射線路徑等)資料進行分析,進而反演得到地下介質的結構、波速分布情況及彈性參數等重要信息[3]。

地震波在地質體中傳播時,巖土體縱波傳播速度vp的計算式為:

(1)

式中:

E——介質的彈性模量;

ρ——介質的密度;

μ——介質的泊松比。

地震波CT技術采用一發多收的扇形穿透地質體。激發探頭經逐點激發后,在被測區域內形成密集的射線交叉網絡。在地震波CT技術中,常常先把地層介質網格化,進而將射線追蹤問題轉化為射線通過網格單元時的坐標、射線長度及走時問題。通過反演得到每個像單元的vp,再采用適當的平滑插值技術繪制出vp的等值線圖,也可采用色譜和像素來表示vp圖像。圖1為相鄰2個垂直鉆孔間探測區域的CT射線網絡及地層介質網格化示意圖,其中:dzk為相鄰2個垂直鉆孔的間距;djf為相鄰2個激發點的間距;djb為相鄰2個檢波點的間距。

圖1 相鄰2個垂直鉆孔間探測區域的CT射線網絡及地層介質網格化示意圖

2 地震波CT探測參數對分辯率的影響

地震波CT技術的探測分辯率指能夠準確識別異常體的最小尺寸及風化程度(通過識別異常體的vp來確定)。地下不同的巖土體(介質)彈性參數不相同,地震波在巖土介質內的vph也不同,其在各種硬質巖石內的vp如表1所示。通常情況下,致密完整巖體的vp較大,疏松碎裂巖體的vp較小[4-5]。地下孤石屬于中風化-微風化介質,其vp較大,與其周邊的介質間存在較大的波速差異[6],因此可采用地震波CT技術對孤石進行探測。

表1 各種硬質巖石的vp

本文依托福州地鐵1號線某車站的工程實際,就地震波CT探測參數對探測分辯率的影響進行深入研究。在該站地下連續墻(以下簡稱“地連墻”)施工過程中,在埋深13.0～33.0 m范圍內遇到了中風化孤石,對地連墻成槽造成了一定影響,因此,準確探明地連墻位置的孤石分布情況,對地連墻挖槽施工具有重要意義。采用地震波CT技術在疑似存在孤石區間的3個方向上布置了8個鉆孔(ZK1—ZK8),其平面位置圖如圖2所示。

2.1 不同的dzk對探測分辯率的影響

在相同的探測條件下,保持除dzk以外其他參數不變,僅改變dzk的取值。如圖2所示,選取在一條直線上的3個鉆孔,鉆孔編號為ZK1、ZK2及ZK3,鉆孔深度均為33.0 m。其中:ZK1與ZK2的dzk,12=10.4 m,ZK2與ZK3的dzk,23=4.6 m。

2.1.1 鉆孔間距為10.4 m時地震波CT探測結果

在ZK1處布置激發孔,在ZK2處布置接收孔,則鉆孔間距dzk,12=10.4 m。圖3為鉆孔間距為10.4 m時地震波CT探測結果。由圖3可知:vp>2 600 m/s的高速介質推測為地震波通過地下孤石時的波速異常反應;埋深大于30.0 m且vp>2 600 m/s的高速介質為中風化基巖。

圖3 鉆孔間距為10.4 m時地震波CT探測結果截圖

當鉆孔間距為10.4 m時,采用地震波CT技術探測得到ZK2處孤石分布的深度范圍為25.0～28.5 m。采用鉆探技術探測得到ZK2處的孤石深度范圍為25.0～28.5 m。鉆探的探測結果和地震波CT的探測結果一致。

2.1.2 鉆孔間距為4.6 m時地震波CT探測結果

在ZK2處布置激發孔,在ZK3處布置接收孔,此時的鉆孔間距dzk,23=4.6 m。圖4為鉆孔間距為4.6 m時地震波CT探測結果。由圖4可知:vp>2 600 m/s的高速介質推測為地震波通過地下孤石時的波速異常反應;埋深大于30.5 m且vp>2 600 m/s的高速介質為中風化基巖。

圖4 鉆孔間距為4.6 m時地震波CT探測結果截圖

當鉆孔間距為4.6 m時,采用地震波CT技術探測得到ZK2處孤石分布的深度范圍為25.0～28.5 m。采用鉆探技術探測得到ZK2處的孤石深度范圍為25.0～28.5 m。鉆探的探測結果和地震波CT的探測結果一致。

2.1.3 鉆孔間距為15.0 m時地震波CT探測結果及對比

在ZK1處布置激發孔,在ZK3處布置接收孔,此時的鉆孔間距dzk,13=15.0 m。圖5為鉆孔間距為15.0 m時地震波CT探測結果。由圖5可知:vp>2 600 m/s的高速介質推測為地震波通過地下孤石時的波速異常反應;埋深大于30.0 m且vp>2 600 m/s的高速介質為中風化基巖。

圖5 鉆孔間距為15.0 m時地震波CT探測結果截圖

當鉆孔間距為15.0 m時,采用地震波CT技術探測得到ZK2處孤石分布的深度范圍為24.5～28.8 m。采用鉆探技術探測得到ZK2處孤石深度范圍為25.0～28.5 m。鉆探的結果和地震波CT探測結果存在誤差,誤差范圍約為0.3～0.5 m。

對圖3—圖5進行綜合對比,其對比結果如表2所示。由表2可知:鉆孔間距為10.4 m及4.6 m時,地震波CT探測結果均與鉆探結果一致,而鉆孔間距為15.0 m時地震波CT探測結果存在一定誤差。當鉆孔間距小于等于10.4 m時,地震波CT探測結果顯示出孤石形態更清晰;當鉆孔間距大于10.4 m時,地震波CT探測結果顯示孤石分布區域較大,孤石的邊界較圓滑,孤石形態較模糊。

表2 不同dzk下ZK2處地震波CT探測結果對比

2.2 不同的djf、djb組合對探測分辯率的影響

除djf、djb外其他參數不變,選取兩種工況下不同的djf、djb組合,對地震波CT的探測結果進行對比分析。

2.2.1 工況一下兩種djf、djb組合的地震波CT探測結果對比

工況一選取鉆孔ZK4和ZK5,鉆探深度均為33.0 m,此時的鉆孔間距dzk,45=14.5 m。工況一下再選取2種djf、djb組合進行對比分析,其中,組合1為djf,45=1.0 m、djb,45=1.0 m;組合2為djf,45=2.0 m、djb,45=2.0 m。

2.2.1.1 組合1的地震波CT探測結果分析

圖6為組合1的地震波CT探測結果。由圖6可知:vp>2 600 m/s的高速介質推測為地震波通過地下孤石時的波速異常反應;埋深大于31.0 m且vp>2 600 m/s的高速介質為中風化基巖;在距離ZK4約0～2.0 m、埋深22.0～23.5 m處,分布了1塊寬度及厚度均不大于2.0 m的孤石;在距離ZK4約3.5～7.5 m、埋深27.0～28.5 m處,分布了1塊寬度大于2.0 m、厚度小于2.0 m的孤石。

圖6 工況一下組合1的地震波CT探測結果截圖

組合1下,鉆探探測結果為ZK4處孤石深度范圍為22.0～23.1 m,地震波CT探測ZK4處的結果與鉆探結果相差0.4 m。

2.2.1.2 組合2的地震波CT探測成果分析

圖7為組合2的地震波CT探測結果。由圖7可知:vp>2 600 m/s的高速介質推測為地震波通過地下孤石時的波速異常反應;埋深大于31.0 m且vp>2 600 m/s的高速介質為中風化基巖。距離ZK4約3.5～8.2 m、埋深27.0～28.5 m處,分布了1塊寬度大于2.0 m、厚度小于2.0 m的孤石。

圖7 工況一下組合2的地震波CT探測結果截圖

組合2下,鉆探探測結果為ZK4處孤石深度范圍為22.0～23.1 m,而地震波CT探測結果圖同樣區域內的vp并無明顯異常反應(此時vp<2 600 m/s),地震波CT探測結果與鉆探結果不符。

2.2.1.3 組合1和組合2的探測結果對比分析

1) 若孤石的寬度或厚度大于等于2.0 m,組合1和組合2的探測結果基本相近,組合2探測出的孤石形態更加圓滑。

2) 若孤石的寬度或厚度小于2.0 m,組合2受邊緣盲區效應及探測分辨率的影響,無法準確探測出孤石,而組合1可基本滿足探測精度的要求。

3) 組合1和組合2下,除鉆孔邊緣處的其他位置射線覆蓋率的差異較小,故其他位置的波速異常分布范圍及形態大小基本相似。

2.2.2 工況二下兩種djf、djb組合的地震波CT探測結果對比

工況二選取鉆孔ZK6、ZK7及ZK8,3個鉆孔在一條直線上,鉆探深度均為30.0 m,ZK6與ZK7的鉆孔間距dzk,67=10.5 m。ZK8為驗證鉆孔,ZK8和ZK6的鉆孔間距dzk,68=6.0 m。ZK7和ZK8的鉆孔間距dzk,78=4.5 m。工況二下再選取2種djf、djb組合進行對比分析,其中,組合3為djf,67=0.5 m、djb,67=0.5 m;組合4為djf,67=1.0 m、djb,67=1.0 m。

2.2.2.1 組合3的地震波CT探測成果分析

圖8為組合3的地震波CT探測結果。由圖8可知:vp>2 600 m/s的高速介質推測為地震波通過地下孤石時的波速異常反應;埋深大于29.0 m且vp>2 600 m/s的高速介質為中風化基巖;距離ZK6約2.0～8.5 m、埋深21.0～24.5 m處分布了孤石1;距離ZK6約0～6.0 m、埋深26.0～29.0 m處分布了孤石2。

鉆探探測ZK8處孤石深度范圍為20.5～22.5 m,而地震波CT探測ZK8處孤石的埋深范圍為21.0～22.8 m,該探測結果與鉆探結果相差0.3～0.5 m。

2.2.2.2 組合4的地震波CT探測成果分析

圖9為組合4的地震波CT探測結果。由圖9可知:vp>2 600 m/s的高速介質推測為地震波通過地下孤石時的波速異常反應;埋深大于29.0 m且vp>2 600 m/s的高速介質為中風化基巖;距離ZK6約1.5～8.5 m、埋深21.2～24.5 m處分布了孤石1;距離ZK6約0～7.0 m、埋深26.0～29.0 m處分布了孤石2。

圖9 工況二下組合4的地震波CT探測結果截圖

鉆探探測ZK8處孤石的深度范圍為20.5～22.5 m,而地震波CT探測ZK8處孤石的埋深范圍為21.2～23.0 m,探測結果與鉆探結果相差0.5～0.7 m。

2.2.2.3 組合3和組合4的探測結果對比分析

1) 組合3和組合4的探測結果基本相似,但組合3的探測結果誤差相對較小。

2) 組合4探測出ZK8埋深26.0～29.0 m處存在孤石,但實際鉆探過程中并未鉆探到該孤石,由此可推斷為該孤石形態大小存在一定誤差。

3) 與組合4相比,組合3的射線網絡覆蓋較密集,射線網絡的盲區較小,故組合4的ZK8鉆孔深度26～29 m范圍剛好位于剖面的中底部附近,受剖面中間底部盲區效應的影響,地震波CT探測得到的孤石形態存在誤差。

3 結論

1) 地震波CT技術采用小孔距進行探測時,更能體現孤石的形態及大小特征;采用大孔距探測得到的孤石分布范圍與實際分布范圍相比偏大,孤石的形態和大小特征較模糊。

2) 采用相對較大的激發點距及檢波點距進行探測時,探測誤差相對較大;特別是位于鉆孔邊緣及剖面中間底部的盲區位置,可能會出現無法識別出較小的孤石或探測得到的孤石形態比實際形態偏大等情況。

3) 綜合考慮探測工作效率及探測精度的要求,建議選取鉆孔間距約10.0 m、激發點距和檢波點距均為1.0 m進行地震波CT探測。