跨孔地震CT在地鐵勘察中淺析

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隨著城市建設(shè)的發(fā)展，地鐵成為重要組成部分，而巖溶發(fā)育地區(qū)，探明巖溶發(fā)育特征對(duì)地鐵施工進(jìn)度和建設(shè)安全尤為重要。跨孔地震ct利用地下介質(zhì)的彈性波速度差異，通過反演和解譯初至波攜帶信息，可以很好地實(shí)現(xiàn)巖溶區(qū)域的波速成像。本文介紹了跨孔地震CT的應(yīng)用現(xiàn)狀和基本原理，并以深圳市某地鐵巖溶勘察項(xiàng)目為例，發(fā)現(xiàn)跨孔地震CT能夠較清晰的勾勒出土石分界面以及溶蝕和溶洞的分界線，確定溶洞的大小和位置，為地質(zhì)解釋提供依據(jù)，最后利用驗(yàn)證孔驗(yàn)證了結(jié)果的有效性。近年來，中國(guó)地鐵系統(tǒng)得到了快速的發(fā)展，在城市地鐵建設(shè)中，隧道盾構(gòu)機(jī)發(fā)揮著越來越重要的作用，巖溶是我國(guó)南方常見的地質(zhì)特征，很容易在盾構(gòu)機(jī)工作過程中造成塌陷和涌水等災(zāi)害，嚴(yán)重影響了施工安全和工期，因此通過物探技術(shù)來探明地下巖溶的發(fā)育情況、位置和大小顯得尤為重要。常用的地面物探方法如大地電磁法和高密度電法，由于場(chǎng)地限制和精度要求，在城市巖溶勘察中難以實(shí)現(xiàn)巖溶的高精度探測(cè)，而跨孔地震CT利用地下介質(zhì)的波速差異，研究地震波在地下介質(zhì)的傳播規(guī)律來達(dá)到探查巖溶分布的目的，與傳統(tǒng)物探方法相比，具有較高的分辨率和信噪比等優(yōu)點(diǎn)?？缈椎卣餋T始于20世紀(jì)70年代初，Chapman首次將Radon變換應(yīng)用到地震中，并提出井間地震層析成像的概念，此后在不同領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。2016年劉黎通過跨孔地震CT剖面對(duì)巖畫山體的完整性進(jìn)行了分析，2018年鄧逆濤等將該方法應(yīng)用到樁基檢測(cè)中并反演得到了整個(gè)樁身情況。本文介紹了跨孔地震CT應(yīng)用現(xiàn)狀和原理，并結(jié)合深圳某地鐵巖溶勘察項(xiàng)目展開跨孔地震CT有效性的研究，總結(jié)了巖溶對(duì)原始地震記錄的影響，并通過識(shí)別波速剖面圖中的低速區(qū)域判斷了巖溶的分布特征，最后結(jié)合驗(yàn)證孔資料驗(yàn)證了跨孔地震CT法在地下巖溶中探測(cè)中的有效性。

1.跨孔地震CT原理

跨孔地震CT法又稱為跨孔地震層析成像，是以地震波在地下介質(zhì)中的波速差異為物性基礎(chǔ)，通過采集初至波到達(dá)時(shí)間來反演得到孔間波速剖面的地震方法?？缈椎卣餋T法將震源和接收器都放置在地表以下的孔中，來避免近地表環(huán)境引起的衰減和散射，并采用一激多收的方式進(jìn)行探測(cè)，相比于傳統(tǒng)地震方法，因?yàn)樵诳變?nèi)激發(fā)，能夠更精確地描述地下介質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)和分布。跨孔地震CT觀測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。

2.應(yīng)用實(shí)例

2.1工程概況

工區(qū)位于沖洪積平原地貌單元，覆蓋層主要為人工填土和殘積黏性土，下伏基巖為微風(fēng)化灰?guī)r，巖質(zhì)堅(jiān)硬。地下水處于垂直循環(huán)帶，主要為孔隙潛水和裂隙巖溶水，水位受季節(jié)變化影響較大，根據(jù)鉆探資料表明巖溶比較發(fā)育，為覆蓋性巖溶，大部分溶洞內(nèi)無填充物，少部分有充填物，充填物主要為軟塑狀粉質(zhì)黏土和砂石，溶洞內(nèi)和覆蓋層縱波波速小于2000m/s，溶蝕發(fā)育區(qū)域縱波速度在2000m/s~4000m/s之間，完整灰?guī)r的縱波速度大于4000m/s，明顯的波速差異也為跨孔地震CT的開展提供了物性基礎(chǔ)。

2.2數(shù)據(jù)采集

按車站輪廓線沿車站敷設(shè)方向布置三排鉆孔，孔間距在15m~30m之間，為了比較溶洞對(duì)原始記錄的影響，取場(chǎng)地內(nèi)YR-12~YR-33剖面和LC-93~LC-95剖面為例。采用孔間觀測(cè)系統(tǒng)，即巖溶分布較少的鉆孔為發(fā)射孔，另一個(gè)為接收孔，接收孔內(nèi)放置24道檢波器串，道間距為1m。按照鉆孔深度確定排列個(gè)數(shù)，排列間重合多道數(shù)據(jù)，單個(gè)排列采集時(shí)，每放一炮將震源向上提1m，形成圖1所示的觀測(cè)系統(tǒng)，可以發(fā)現(xiàn)，地震波射線很好的覆蓋了鉆孔間的區(qū)域。

2.3結(jié)果分析

2.3.1完整灰?guī)r2.3.1.1初至拾取YR-12~YR-33剖面中YR-12為激發(fā)孔，YR-33為接收孔，孔間距為18m，共有兩個(gè)排列，第一個(gè)排列中震源位置變化范圍為11m~47m，24道檢波器分布位置在23m~46m之間，第二個(gè)排列中震源位置變化范圍為11m~35m，24道檢波器分布位置在10m~33m之間。圖2（a）為第一個(gè)排列中震源位于46m時(shí)對(duì)應(yīng)的原始地震記錄，發(fā)現(xiàn)當(dāng)震源和檢波器位于完整灰?guī)r中時(shí)，數(shù)據(jù)質(zhì)量很高，初至波同相軸連續(xù)且變化比較平滑，圖2（b）為第二個(gè)排列中震源位于35m時(shí)對(duì)應(yīng)的原始地震記錄，發(fā)現(xiàn)在第12道（22m）出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)，由紅色箭頭標(biāo)出，此時(shí)該道對(duì)應(yīng)的位置即為地層分界面。2.3.1.2反演成像為了更直觀地表現(xiàn)跨孔地震CT對(duì)地層分界面的識(shí)別，反演得到了如圖3所示的波速剖面。圖3中地下介質(zhì)整體呈兩層分布，波速差異明顯，上層為波速較低的覆蓋層，下層為完整灰?guī)r，具有明顯的地層分界線，起伏較小。2.3.2溶洞2.3.2.1初至拾取LC-93~LC-95剖面中LC-93為激發(fā)孔，LC-95為接收孔，孔間距為21m，共有三個(gè)排列，其中第二個(gè)排列中震源位置變化范圍為5m~47m，24道檢波器分布位置在12m~35m之間。圖4為第二個(gè)排列不同震源位置的原始地震記錄，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄整體沒有壞道，信噪比整體較高，初至波能量較強(qiáng)，同相軸連續(xù)且光滑，拾取的初至?xí)r間精度較高，也保證了后續(xù)處理的可靠性。圖4中的第11道至17道出現(xiàn)初至波走時(shí)減小，由紅框標(biāo)注，正好與鉆孔圖在21.9m至28.9m處的基巖相對(duì)應(yīng)。與圖3（a）相比，17道之后的走時(shí)下降速度加快，表明該道對(duì)應(yīng)位置開始出現(xiàn)低速異常。2.3.2.2反演成像圖5展示了LC-93~LC-95剖面的反演波速剖面和解釋剖面，波速剖面圖整體上呈三層，表層為低速的覆蓋層，深度在21m左右，中層為一較大溶腔，下層為灰?guī)r，層間有清晰的地層分界線，在灰?guī)r地層中存在四個(gè)低速帶，結(jié)合鉆孔資料解釋為巖溶發(fā)育區(qū)，覆蓋層和灰?guī)r以及低速帶與完整灰?guī)r相接處解釋為溶蝕。圖5中的四個(gè)巖溶分別用L-1、L-2、L-3、L-4和L-5編號(hào)。L-1號(hào)巖溶與上覆填土僅相隔2m多的溶蝕帶，在外部因素觸發(fā)下，上覆填土易沿裂隙或溶隙流失，具有較差的穩(wěn)定性，L-3號(hào)溶洞頂板厚度為1.8m，溶洞頂板基巖為全風(fēng)化灰?guī)r，巖體自穩(wěn)性差，承受上部荷載能力弱，并且由于全風(fēng)化灰?guī)r與溶洞波速差異較小，因此不能準(zhǔn)確識(shí)別出溶洞邊界。L-2號(hào)溶洞與L-1號(hào)相接，分布位置也與鉆孔揭示的對(duì)應(yīng)。為了驗(yàn)證物探揭示的L-1號(hào)溶洞，補(bǔ)鉆LC-93-1號(hào)驗(yàn)證孔，驗(yàn)證孔中灰?guī)r頂板深度為25.1m，與反演剖面解釋的深度相差僅為0.8m，驗(yàn)證孔中底板深度為38.2，與反演揭示深度幾乎一致。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，直徑小于1m的L-4號(hào)溶洞在地震記錄中幾乎沒有反應(yīng)，考慮到是檢波器間距較小導(dǎo)致的縱向分辨率較低。

3.結(jié)語(yǔ)

跨孔地震CT是一種高精度的地球物理勘探方法，在城市巖溶勘察方面與傳統(tǒng)勘探方法相比更加可靠和方便快捷。本文通過將跨孔地震CT應(yīng)用到深圳某地鐵，取得以下認(rèn)識(shí)：（1）原始地震記錄一定程度上可以較直觀地看出地層分界面和低速帶給初至波走時(shí)帶來的變化，同時(shí)較好的記錄質(zhì)量可以提高反演精度，保證數(shù)據(jù)的可靠性，為此可以采取相應(yīng)的措施，如夜間工作、改善檢波器與孔壁的耦合情況等方法。（2）跨孔地震CT能夠很好地揭示完整灰?guī)r的界面起伏形態(tài)，溶洞分布位置及大小，與鉆探資料結(jié)果有較高的一致性，證明該方法可以滿足地鐵巖溶的勘察精度要求，能夠?yàn)榈罔F施工灌漿量的確定提供參考。

作者:王琪琪 單位:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司