地震波CT技術(shù)在某客運(yùn)專線巖溶橋梁樁位勘察中的應(yīng)用性研究

李紅剛 徐永明 關(guān)鳳琚 崔竹剛

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 天津 300251)

1 概述

近年來,我國(guó)客運(yùn)專線建設(shè)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,截止2010年1月,我國(guó)客專運(yùn)線營(yíng)里程有4 179 km,在建里程1萬多公里。橋梁是客運(yùn)專線中的關(guān)鍵組成部分,而巖溶區(qū)溶洞發(fā)育程度直接關(guān)系到橋梁樁位的設(shè)計(jì)、施工和正常運(yùn)營(yíng),加上巖溶橋梁鉆探工作量巨大、施工時(shí)間長(zhǎng),因此更準(zhǔn)確、快捷的進(jìn)行巖溶勘察顯得十分重要。以往巖溶勘探主要通過鉆孔揭露,但其揭露地層范圍小、施工難度大、施工時(shí)間長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)成本較高,已很難滿足客運(yùn)專線設(shè)計(jì)、施工的要求。

近年來,隨著勘探方法的完善和勘探手段的多樣化發(fā)展,結(jié)合物探和鉆探的綜合勘探手段得到了越來越多的關(guān)注和研究。而地震波CT技術(shù)作為一種新型的勘探方法,以準(zhǔn)確、快速、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)而日益受到重視[1]。CT技術(shù)工作原理：首先在兩鉆孔中分別安裝發(fā)射與接收裝置,然后利用專門的儀器發(fā)射工作頻率大于1 MHz的地震波,再通過重建兩鉆孔間波速傳播圖像,并對(duì)不同介質(zhì)的波速進(jìn)行對(duì)比分析,確定地下不同的介質(zhì)分布情況。該技術(shù)應(yīng)用到巖溶區(qū)勘探,能更快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)到溶洞的發(fā)育規(guī)律和分布情況,極大地提高勘察的效率和節(jié)省成本,從而加快設(shè)計(jì)和施工工期,更好的保證鐵路運(yùn)營(yíng)期間的安全。

2 地震波CT勘探技術(shù)基本原理

2.1 地震波CT技術(shù)理論

地震波CT技術(shù),又稱計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù),是利用地震波在不同介質(zhì)中速度傳播(或被吸收多少)的差異,通過層析成像的方法對(duì)地震波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,來重建介質(zhì)體內(nèi)速度分布(或吸收分布)的圖像, 然后來推斷剖面介質(zhì)的構(gòu)造及地質(zhì)異常體的位置、形態(tài)和分布狀況。

本文采用的巖溶樁位CT檢測(cè)模型如圖1所示,設(shè)有兩鉆孔,ZD-1為發(fā)射孔,ZD-2為接收孔,沿兩孔不同深度布置的發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)分別為(S1,S2…Sn)和(R1,R2…,Rn)。首先把兩鉆孔之間的L×K斷面劃分成橫縱等面積的小方格,實(shí)現(xiàn)透視空間的離散化。對(duì)每個(gè)小方格進(jìn)行編號(hào),它們分別為1,2,3…,m。

圖1 CT技術(shù)傳播原理

設(shè)xj為第j個(gè)方格的地震波速度的倒數(shù)(稱為地震波慢度),對(duì)于每條地震波射線都可以寫成一條射線方程

a1x1+a2x2+…+amxm=t1

(1)

對(duì)于m條地震波射線方程可為

(2)

其中x=1/v

(3)

式中：ti是第i條射線的地震波到達(dá)時(shí)間；ai是該射線在第j號(hào)方格中的長(zhǎng)度[2]。

如果分別在兩鉆孔的不同深度激發(fā)(發(fā)射)、接收n次,便可得到n個(gè)射線方程,寫成矩陣形式則為

或簡(jiǎn)寫AX=t

(4)

通過求解式(4)就可以得到每個(gè)小方格內(nèi)的地震波慢度值,分別取其倒數(shù)即得到鉆孔間彈性波速度值分布圖。一般的求解方法有聯(lián)合迭代法(SIRT法)和阻尼迭代法兩種,由于聯(lián)合迭代法收斂速度較快,一般通過該方法進(jìn)行反演、迭代,求得鉆孔間彈性波速度值,對(duì)速度場(chǎng)進(jìn)行重建,就可以得到速度場(chǎng)的CT速度分布圖像。

2.2 地震波CT勘探原理

由式(4)可知,彈性波在介質(zhì)中傳播時(shí),不同介質(zhì)對(duì)波的吸收、反射、透射不同,使得重構(gòu)后的地震波速度場(chǎng)的CT分布圖像呈現(xiàn)不同的變化。眾所周知,巖土體并非理想的彈性介質(zhì),土層一般含有很多空隙,而基巖則發(fā)育節(jié)理裂隙、破碎帶或溶洞等。因此，在彈性波的傳播過程中,由于受到巖性、地層的物質(zhì)組成成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等的影響,導(dǎo)致波在傳播過程中被吸收,進(jìn)而影響到其振動(dòng)強(qiáng)度衰減[3～4]；一般來說,巖土越疏松、裂隙越發(fā)育,波的吸收與衰減越大,導(dǎo)致波速值越小[5]。

巖溶勘探正是基于以上原理,當(dāng)?shù)卣鸩ㄍㄟ^完整的灰?guī)r區(qū)時(shí),巖體致密完整,對(duì)波速影響較小,波速變化不明顯；而當(dāng)通過土層、溶洞或裂隙發(fā)育區(qū)時(shí),由于該類異常區(qū)域?qū)Σㄎ蛰^多,導(dǎo)致波速發(fā)生明顯減小。通過對(duì)地震波速度場(chǎng)進(jìn)行重建,就可以得到反映不同區(qū)域速度高低的CT圖像,從而能清晰、直觀的反應(yīng)出溶洞、裂隙發(fā)育區(qū)等異常特征,探測(cè)系統(tǒng)及觀測(cè)原理如圖2所示。

圖2 CT技術(shù)探測(cè)系統(tǒng)及觀測(cè)原理示意

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

某客運(yùn)專線為國(guó)家鐵路網(wǎng)規(guī)劃中的重要組成部分,其中一段線路方案通過巖溶區(qū)地段占線路總長(zhǎng)的44.2%,僅在施工圖階段,橋梁區(qū)巖溶鉆探計(jì)劃勘探量近百萬延米,這給鉆探工作和工程工期造成巨大壓力。為此,在保證地質(zhì)資料的準(zhǔn)確性的前提下,為了降低鉆探工作量、加快勘探進(jìn)度,迫切需要一種準(zhǔn)確、快速、經(jīng)濟(jì)的勘探手段。因而,在勘探過程中大量采用了地震波CT技術(shù)對(duì)巖溶橋梁樁位進(jìn)行勘探,取得了良好的應(yīng)用效果。

3.2 CT檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)布置

該客運(yùn)專線橋梁墩臺(tái)形狀為長(zhǎng)方形,長(zhǎng)寬一般不超過15.9 m×10.3 m,樁間距4.0 m左右。為盡量準(zhǔn)確的查明墩臺(tái)下方的溶洞發(fā)育情況,需要一個(gè)合理、經(jīng)濟(jì)的布置方案。某橋4號(hào)墩,共8根樁,設(shè)計(jì)鉆孔45 m/樁,計(jì)劃采用逐樁鉆探,后采用結(jié)合CT技術(shù)的綜合勘探方法,設(shè)計(jì)4個(gè)鉆探孔,其余4個(gè)鉆孔通過CT勘探,既可以降低一半的鉆探工作量,又節(jié)省了勘探時(shí)間。鉆孔、樁位及CT透視平面布置見圖3。

圖3 某橋樁基及CT探測(cè)孔布置

在使用CT技術(shù)勘探時(shí),首先是先對(duì)墩臺(tái)的四角樁進(jìn)行鉆孔勘探,然后下保護(hù)設(shè)備PVC管,做好傳感器和信號(hào)線的選擇、埋設(shè)、保護(hù)及鉆孔封閉等工作細(xì)節(jié)。然后以每?jī)煽诪橐粚?duì)做CT檢測(cè),改墩臺(tái)做兩對(duì)即可。

3.3 CT反演成果分析、驗(yàn)證及應(yīng)用

由于兩孔0～4.25 m范圍內(nèi)均為干孔,激發(fā)和接受條件較差,無法采集到信號(hào)數(shù)據(jù),故接收激發(fā)段和接收段分別從4.25 m以下開始。通過專門的儀器采集CT檢測(cè)數(shù)據(jù),然后對(duì)CT剖面進(jìn)行數(shù)據(jù)反演層析成像,得到10-ZD-01與10-ZD-02兩孔間的波速影像色譜分布(圖4)。

圖5 綜合勘探方法得出墩臺(tái)展示(灰?guī)r部分充填)

圖4 某墩CT波速色譜分布和地質(zhì)剖面

由前面理論可知：土層、溶洞、破碎帶等對(duì)地震波的吸收系數(shù)比完整基巖大,反映在色譜影像圖上就是速度明顯降低。通過分析圖4可知,該剖面波速圖像大致可分為三個(gè)速度帶；并根據(jù)波速在不同介質(zhì)中(如土層、巖溶裂隙,溶洞發(fā)育帶和完整基巖)傳播速度對(duì)比值,并結(jié)合鉆孔資料,可將該剖面地質(zhì)情況解譯如下：①波速小于3.2 km/s的低速區(qū),顯示為綠色(Ⅰ區(qū)),該層一般不厚,大概3～5 m,為表層相對(duì)松散的土層；②波速大于4.0 km/s的高速區(qū),紅色(Ⅳ區(qū))為完整基巖,暗紅色(Ⅱ區(qū))為裂隙發(fā)育區(qū)(或風(fēng)化嚴(yán)重)的基巖；③波速介于2.3～3.2 km/s低速帶,顯示為綠色,該層位于高速區(qū)內(nèi),為溶洞(Ⅲ區(qū))及溶洞充填物。

通過對(duì)比圖4(b)的鉆孔剖面圖可知,CT圖像揭示的巖土分界面、溶洞底板深度與鉆孔大部分一致,只有一處揭露溶洞頂板深度比鉆孔淺0.45 m；而且與鉆探相比,CT方法更好的反映了基巖面的起伏狀態(tài),以及溶洞的大小和發(fā)育規(guī)律,并直觀的反應(yīng)了裂隙發(fā)育區(qū)的范圍。通過對(duì)比可知,兩者是吻合的,相互互補(bǔ),將其聯(lián)合應(yīng)用于巖溶區(qū)的勘探比單獨(dú)使用一種方法更有效、更具優(yōu)勢(shì)。

同理通過CT技術(shù)可以得到該墩臺(tái)的另外一個(gè)剖面圖。綜合鉆孔資料和CT剖面圖,可以得到整個(gè)墩臺(tái)的展示(圖5)。由圖5可知,該墩臺(tái)資料比較詳細(xì)、準(zhǔn)確的揭露了實(shí)際地層情況,不僅反映了鉆探成果,而且通過CT技術(shù)探明了溶洞在該墩臺(tái)水平和垂直方向的發(fā)育情況,比純粹鉆探更詳盡的揭露了地層情況,并減少了重復(fù)的財(cái)力和物力消耗,節(jié)省了鉆探時(shí)間,及時(shí)為設(shè)計(jì)專業(yè)提供比較詳細(xì)的地質(zhì)資料,保證了工程設(shè)計(jì)和施工的進(jìn)度。

4 結(jié)束語

通過總結(jié)和研究CT技術(shù)在該客運(yùn)專線橋梁樁位勘察中的應(yīng)用,得到如下的結(jié)論：

(1)該技術(shù)在巖溶勘探中的應(yīng)用是成功的,不僅直觀明了的揭露了巖溶的發(fā)育情況和巖土分界面,而且揭示了裂隙破碎帶等更多、更廣的地層信息,為工程設(shè)計(jì)提供了更可靠的依據(jù)。

(2)對(duì)巖溶發(fā)育的地層,通過鉆探方法與CT技術(shù)相結(jié)合的綜合勘探方法,更詳盡的探明了基巖起伏面情況、溶洞的延伸情況,并減少了重復(fù)的財(cái)力和物力消耗,節(jié)省了鉆探時(shí)間,保證了工程設(shè)計(jì)和施工的進(jìn)度。

(3)由于地質(zhì)條件多復(fù)雜、未知,導(dǎo)致彈性波速度變化與諸多因素有關(guān),不能單憑波速變化來推斷具體地質(zhì)變化情況；必須針對(duì)不同地區(qū)具體情況依靠該區(qū)域地質(zhì)資料,結(jié)合不同巖性的波速變化情況,并綜合地質(zhì)鉆探資料,明確探測(cè)目標(biāo)與物理量異常之間的相關(guān)性,才能得出更加準(zhǔn)確、可靠的CT成果,提出準(zhǔn)確的地質(zhì)資料。

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