地鐵地下工程中應(yīng)用地震波CT技術(shù)探測(cè)孤石的參數(shù)選擇*

胡曉娟

(1.福建省地質(zhì)工程勘察院,350002,福州; 2.自然資源部丘陵山地地質(zhì)災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,350002,福州∥第一作者,工程師)

在地鐵地下工程施工過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到孤石,這可能會(huì)嚴(yán)重影響地鐵的施工進(jìn)度,因此在地鐵施工前進(jìn)行地下孤石的探測(cè),確定施工區(qū)域內(nèi)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(jì)算機(jī)輔助層析成像)技術(shù)可在不損害測(cè)試對(duì)象的前提下“透視”測(cè)試對(duì)象的外部及內(nèi)部結(jié)構(gòu),具有分辨率高、可靠性好、圖像直觀和信息量大等特點(diǎn),通常用來(lái)探測(cè)規(guī)模較小但探測(cè)精度要求高的地下介質(zhì)細(xì)結(jié)構(gòu)[1-2]。CT技術(shù)探測(cè)參數(shù)(鉆孔間距、檢波點(diǎn)距及激發(fā)點(diǎn)距)的設(shè)定,直接影響了探測(cè)結(jié)果的分辨率。因此,很有必要關(guān)注這些探測(cè)參數(shù),并就其對(duì)探測(cè)分辨率的影響開展研究。

1 地震波CT技術(shù)的原理

地震波CT技術(shù)通過(guò)對(duì)探測(cè)得到的彈性波各種震相的動(dòng)力學(xué)(如波形、振幅、相位及頻率等)和運(yùn)動(dòng)學(xué)(如走時(shí)及射線路徑等)資料進(jìn)行分析,進(jìn)而反演得到地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)、波速分布情況及彈性參數(shù)等重要信息[3]。

地震波在地質(zhì)體中傳播時(shí),巖土體縱波傳播速度vp的計(jì)算式為:

(1)

式中:

E——介質(zhì)的彈性模量;

ρ——介質(zhì)的密度;

μ——介質(zhì)的泊松比。

地震波CT技術(shù)采用一發(fā)多收的扇形穿透地質(zhì)體。激發(fā)探頭經(jīng)逐點(diǎn)激發(fā)后,在被測(cè)區(qū)域內(nèi)形成密集的射線交叉網(wǎng)絡(luò)。在地震波CT技術(shù)中,常常先把地層介質(zhì)網(wǎng)格化,進(jìn)而將射線追蹤問(wèn)題轉(zhuǎn)化為射線通過(guò)網(wǎng)格單元時(shí)的坐標(biāo)、射線長(zhǎng)度及走時(shí)問(wèn)題。通過(guò)反演得到每個(gè)像單元的vp,再采用適當(dāng)?shù)钠交逯导夹g(shù)繪制出vp的等值線圖,也可采用色譜和像素來(lái)表示vp圖像。圖1為相鄰2個(gè)垂直鉆孔間探測(cè)區(qū)域的CT射線網(wǎng)絡(luò)及地層介質(zhì)網(wǎng)格化示意圖,其中:dzk為相鄰2個(gè)垂直鉆孔的間距;djf為相鄰2個(gè)激發(fā)點(diǎn)的間距;djb為相鄰2個(gè)檢波點(diǎn)的間距。

圖1 相鄰2個(gè)垂直鉆孔間探測(cè)區(qū)域的CT射線網(wǎng)絡(luò)及地層介質(zhì)網(wǎng)格化示意圖

2 地震波CT探測(cè)參數(shù)對(duì)分辯率的影響

地震波CT技術(shù)的探測(cè)分辯率指能夠準(zhǔn)確識(shí)別異常體的最小尺寸及風(fēng)化程度(通過(guò)識(shí)別異常體的vp來(lái)確定)。地下不同的巖土體(介質(zhì))彈性參數(shù)不相同,地震波在巖土介質(zhì)內(nèi)的vph也不同,其在各種硬質(zhì)巖石內(nèi)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(fēng)化-微風(fēng)化介質(zhì),其vp較大,與其周邊的介質(zhì)間存在較大的波速差異[6],因此可采用地震波CT技術(shù)對(duì)孤石進(jìn)行探測(cè)。

表1 各種硬質(zhì)巖石的vp

本文依托福州地鐵1號(hào)線某車站的工程實(shí)際,就地震波CT探測(cè)參數(shù)對(duì)探測(cè)分辯率的影響進(jìn)行深入研究。在該站地下連續(xù)墻(以下簡(jiǎn)稱“地連墻”)施工過(guò)程中,在埋深13.0～33.0 m范圍內(nèi)遇到了中風(fēng)化孤石,對(duì)地連墻成槽造成了一定影響,因此,準(zhǔn)確探明地連墻位置的孤石分布情況,對(duì)地連墻挖槽施工具有重要意義。采用地震波CT技術(shù)在疑似存在孤石區(qū)間的3個(gè)方向上布置了8個(gè)鉆孔(ZK1—ZK8),其平面位置圖如圖2所示。

2.1 不同的dzk對(duì)探測(cè)分辯率的影響

在相同的探測(cè)條件下,保持除dzk以外其他參數(shù)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(gè)鉆孔,鉆孔編號(hào)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(shí)地震波CT探測(cè)結(jié)果

在ZK1處布置激發(fā)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(shí)地震波CT探測(cè)結(jié)果。由圖3可知:vp>2 600 m/s的高速介質(zhì)推測(cè)為地震波通過(guò)地下孤石時(shí)的波速異常反應(yīng);埋深大于30.0 m且vp>2 600 m/s的高速介質(zhì)為中風(fēng)化基巖。

圖3 鉆孔間距為10.4 m時(shí)地震波CT探測(cè)結(jié)果截圖

當(dāng)鉆孔間距為10.4 m時(shí),采用地震波CT技術(shù)探測(cè)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(shù)探測(cè)得到ZK2處的孤石深度范圍為25.0～28.5 m。鉆探的探測(cè)結(jié)果和地震波CT的探測(cè)結(jié)果一致。

2.1.2 鉆孔間距為4.6 m時(shí)地震波CT探測(cè)結(jié)果

在ZK2處布置激發(fā)孔,在ZK3處布置接收孔,此時(shí)的鉆孔間距dzk,23=4.6 m。圖4為鉆孔間距為4.6 m時(shí)地震波CT探測(cè)結(jié)果。由圖4可知:vp>2 600 m/s的高速介質(zhì)推測(cè)為地震波通過(guò)地下孤石時(shí)的波速異常反應(yīng);埋深大于30.5 m且vp>2 600 m/s的高速介質(zhì)為中風(fēng)化基巖。

圖4 鉆孔間距為4.6 m時(shí)地震波CT探測(cè)結(jié)果截圖

當(dāng)鉆孔間距為4.6 m時(shí),采用地震波CT技術(shù)探測(cè)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(shù)探測(cè)得到ZK2處的孤石深度范圍為25.0～28.5 m。鉆探的探測(cè)結(jié)果和地震波CT的探測(cè)結(jié)果一致。

2.1.3 鉆孔間距為15.0 m時(shí)地震波CT探測(cè)結(jié)果及對(duì)比

在ZK1處布置激發(fā)孔,在ZK3處布置接收孔,此時(shí)的鉆孔間距dzk,13=15.0 m。圖5為鉆孔間距為15.0 m時(shí)地震波CT探測(cè)結(jié)果。由圖5可知:vp>2 600 m/s的高速介質(zhì)推測(cè)為地震波通過(guò)地下孤石時(shí)的波速異常反應(yīng);埋深大于30.0 m且vp>2 600 m/s的高速介質(zhì)為中風(fēng)化基巖。

圖5 鉆孔間距為15.0 m時(shí)地震波CT探測(cè)結(jié)果截圖

當(dāng)鉆孔間距為15.0 m時(shí),采用地震波CT技術(shù)探測(cè)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(shù)探測(cè)得到ZK2處孤石深度范圍為25.0～28.5 m。鉆探的結(jié)果和地震波CT探測(cè)結(jié)果存在誤差,誤差范圍約為0.3～0.5 m。

對(duì)圖3—圖5進(jìn)行綜合對(duì)比,其對(duì)比結(jié)果如表2所示。由表2可知:鉆孔間距為10.4 m及4.6 m時(shí),地震波CT探測(cè)結(jié)果均與鉆探結(jié)果一致,而鉆孔間距為15.0 m時(shí)地震波CT探測(cè)結(jié)果存在一定誤差。當(dāng)鉆孔間距小于等于10.4 m時(shí),地震波CT探測(cè)結(jié)果顯示出孤石形態(tài)更清晰;當(dāng)鉆孔間距大于10.4 m時(shí),地震波CT探測(cè)結(jié)果顯示孤石分布區(qū)域較大,孤石的邊界較圓滑,孤石形態(tài)較模糊。

表2 不同dzk下ZK2處地震波CT探測(cè)結(jié)果對(duì)比

2.2 不同的djf、djb組合對(duì)探測(cè)分辯率的影響

除djf、djb外其他參數(shù)不變,選取兩種工況下不同的djf、djb組合,對(duì)地震波CT的探測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

2.2.1 工況一下兩種djf、djb組合的地震波CT探測(cè)結(jié)果對(duì)比

工況一選取鉆孔ZK4和ZK5,鉆探深度均為33.0 m,此時(shí)的鉆孔間距dzk,45=14.5 m。工況一下再選取2種djf、djb組合進(jìn)行對(duì)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(cè)結(jié)果分析

圖6為組合1的地震波CT探測(cè)結(jié)果。由圖6可知:vp>2 600 m/s的高速介質(zhì)推測(cè)為地震波通過(guò)地下孤石時(shí)的波速異常反應(yīng);埋深大于31.0 m且vp>2 600 m/s的高速介質(zhì)為中風(fēng)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(cè)結(jié)果截圖

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

2.2.1.2 組合2的地震波CT探測(cè)成果分析

圖7為組合2的地震波CT探測(cè)結(jié)果。由圖7可知:vp>2 600 m/s的高速介質(zhì)推測(cè)為地震波通過(guò)地下孤石時(shí)的波速異常反應(yīng);埋深大于31.0 m且vp>2 600 m/s的高速介質(zhì)為中風(fēng)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(cè)結(jié)果截圖

組合2下,鉆探探測(cè)結(jié)果為ZK4處孤石深度范圍為22.0～23.1 m,而地震波CT探測(cè)結(jié)果圖同樣區(qū)域內(nèi)的vp并無(wú)明顯異常反應(yīng)(此時(shí)vp<2 600 m/s),地震波CT探測(cè)結(jié)果與鉆探結(jié)果不符。

2.2.1.3 組合1和組合2的探測(cè)結(jié)果對(duì)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(cè)結(jié)果基本相近,組合2探測(cè)出的孤石形態(tài)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(qū)效應(yīng)及探測(cè)分辨率的影響,無(wú)法準(zhǔn)確探測(cè)出孤石,而組合1可基本滿足探測(cè)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(tài)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(cè)結(jié)果對(duì)比

工況二選取鉆孔ZK6、ZK7及ZK8,3個(gè)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(yàn)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(jìn)行對(duì)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(cè)成果分析

圖8為組合3的地震波CT探測(cè)結(jié)果。由圖8可知:vp>2 600 m/s的高速介質(zhì)推測(cè)為地震波通過(guò)地下孤石時(shí)的波速異常反應(yīng);埋深大于29.0 m且vp>2 600 m/s的高速介質(zhì)為中風(fēng)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(cè)ZK8處孤石深度范圍為20.5～22.5 m,而地震波CT探測(cè)ZK8處孤石的埋深范圍為21.0～22.8 m,該探測(cè)結(jié)果與鉆探結(jié)果相差0.3～0.5 m。

2.2.2.2 組合4的地震波CT探測(cè)成果分析

圖9為組合4的地震波CT探測(cè)結(jié)果。由圖9可知:vp>2 600 m/s的高速介質(zhì)推測(cè)為地震波通過(guò)地下孤石時(shí)的波速異常反應(yīng);埋深大于29.0 m且vp>2 600 m/s的高速介質(zhì)為中風(fēng)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(cè)結(jié)果截圖

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

2.2.2.3 組合3和組合4的探測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

1) 組合3和組合4的探測(cè)結(jié)果基本相似,但組合3的探測(cè)結(jié)果誤差相對(duì)較小。

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

3) 與組合4相比,組合3的射線網(wǎng)絡(luò)覆蓋較密集,射線網(wǎng)絡(luò)的盲區(qū)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(qū)效應(yīng)的影響,地震波CT探測(cè)得到的孤石形態(tài)存在誤差。

3 結(jié)論

1) 地震波CT技術(shù)采用小孔距進(jìn)行探測(cè)時(shí),更能體現(xiàn)孤石的形態(tài)及大小特征;采用大孔距探測(cè)得到的孤石分布范圍與實(shí)際分布范圍相比偏大,孤石的形態(tài)和大小特征較模糊。

2) 采用相對(duì)較大的激發(fā)點(diǎn)距及檢波點(diǎn)距進(jìn)行探測(cè)時(shí),探測(cè)誤差相對(duì)較大;特別是位于鉆孔邊緣及剖面中間底部的盲區(qū)位置,可能會(huì)出現(xiàn)無(wú)法識(shí)別出較小的孤石或探測(cè)得到的孤石形態(tài)比實(shí)際形態(tài)偏大等情況。

3) 綜合考慮探測(cè)工作效率及探測(cè)精度的要求,建議選取鉆孔間距約10.0 m、激發(fā)點(diǎn)距和檢波點(diǎn)距均為1.0 m進(jìn)行地震波CT探測(cè)。