应用弹性波CT技术测试岩体灌浆效果

李新宝，陈 霞，柴绪令，方玉满，郭民龙

（1.吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130012；2.辽宁省冶金地质勘查局地质勘查研究院，辽宁 鞍山 114038）

0 引言

当岩体存在破碎或局部不连续时，破坏了岩体的均一性，降低了强度，工程中需要灌浆以达到增强岩体完整性，提高岩体强度的目的。灌浆是否达到预定的效果，需要采用物探方法进行检测，弹性波CT技术就是有效的检测方法之一。

弹性波CT方法，又称弹性波层析成像技术，是通过在孔中发射和接收弹性波，通过一定的观测采集方式和数据处理方法，得到弹性波在岩体内传播速度信息的一种技术方法。由于弹性波传播速度的大小与岩体的坚硬和完整程度相关，同种岩性下，坚硬且完整的石具有较高的波速，因此，利用波速分布信息的成像结果，可以分析和确定出低速区域，评价灌浆效果，或确定灌浆位置。

1 基本原理

弹性波CT成像，首先通过扇形测试获得大量的首波走时数据，然后通过求解大型矩阵方程获取两孔之间速度剖面图像。设在成像剖面内测有N条射线，首先根据测试精度将剖面分为M个网格，以射线理论为基础的成像方法归结为求解如下方程：

式中lij是第i条射线在第j个单元内的路径长度；Sj是第j个单元的慢度（1/V）值；ti是第i条射线的走时值。

用SIRT解上述方程步骤如下：

1）用直射线方法计算各单元平均慢度值S(0)。设某一单元内有n条射线通过，lm是其中第m条通过单元的射线长度，且其射线总长为Lm，走时为Tm，则通过单元所用的时间分配tm=Tmlm/Lm，n条射线通过单元的总时间分配为，总长度分配为，则该单元的平均慢度S=tn/ln。

2）用联合迭代（SIRT）算法校正各单元慢度值（S）。设某一单元内共有n条射线通过，Tm′，Tm分别是通过该单元的第m条射线的计算走时和实测走时，lm（可用直射线或者弯曲射线追踪算法求出）是射线通过该单元内的长度。则分配给该单元的走时误差 εm=（Tm-Tm′）lm/Lm，n 条射线通过单元内总走时误差为，总射线长度为，单元慢度S用下式校正：

计算时可根据测区性质加一限制条件，使（1/Vmax）＜S（k+1）＜（1/Vmin）提高计算精度。

2 应用实例

辽宁某基础处理工程，测区基岩为大理岩及变质岩，由于长期的地质运动及人类采矿等活动造成了基岩岩体破碎、裂隙发育、岩体强度降低等问题。为了提高岩体的完整性、加大岩体整体强度、增强岩体的稳定性，需要对测区岩体进行灌浆处理。为了解灌浆效果，在灌浆前后进行了地震CT观测。

2.1 工作方法与技术

根据测试要求及实际情况，本次弹性波CT成像测试工作采用在一个钻孔中用电火花震源激震，另一钻孔中用12个检波器的检波器串进行接收的孔间透射方式，激发点距1 m、接收点距1 m。每一个激发及接收点均形成一个扇形区域。再根据不同路径的弹性波走时应用WYS2003软件进行反演计算并绘制孔间速度变化的色谱图像。

使用的仪器为 SE2404EE型地震仪和电火花震源。

2.2 数据处理

在外业实测的弹性波CT原始记录上，读取每一炮点的每一接收道的直达波初至时间。应用“WYS2003弹性波CT层析成像软件”进行输入处理，形成观测系统图、数据曲线图、成像剖面图。

数据处理时，根据实际情况选择各种参数，一般采用直射线联合迭代法，迭代次数一般小于50次，计算残差小于3.0。

2.3 资料分析

1）灌浆前勘察资料分析

图1 ZK9—ZK10孔弹性波CT成像剖面图

图1为灌浆前勘察获得的ZK9-ZK10孔之间的CT剖面图，从图中可以看到，测量范围内岩体波速均匀性很差，岩体波速集中在2500～4500 m/s的区域，占72.6%，低于2500 m/s部分占16.9%、高于4500 m/s的部分占10.5%。分析认为：灌浆前的岩体整体波速较低，完整性较差。

2）灌浆后测试资料分析

从灌浆后检测钻孔j8-j13的弹性波CT观测系统图（由于施工后场地变化j8，j13未在原勘察孔位置，但距ZK9，ZK10孔不超过6 m），可以看出，激发和接收点距均为1 m，根据弹性波CT分辨率应满足：设d为异常体尺寸,Δx为激发点距离和接收点距离,观测系统激发点和接收点布置应该尽可能满足Δx≤d/3[1，5]。 次观测系统安排合理，能够满足测试要求。

从j8～j13弹性波CT数据曲线中可以看到，在第24，31，37组数据中各有1个离散值，其他数据正常，剔除3个离散值后进行反演计算，得到j8～j13孔弹性波CT成像剖面图。

灌浆后的检测钻孔为J8～J13，孔间距16.0 m，激发和接受点距均为1 m。在获得的观测数据中，其第一组数据的拟合曲线，首波走时离散度较小，其他各组数据较均匀。

图2 j13-j8孔弹性波CT成像剖面图

图2为J8-J13地震CT成像结果，由图可见，两孔间岩体波速较均匀，局部波速小于4650 m/s占 1.8%；大部在 4650～5500 m/s占 93.7%；部分岩体波速大于5500 m/s占4.3%。

由此可见，经灌浆处理后，岩体的波速大大提高，岩体的整体性得到了增强，岩体更加均匀，其强度等物性指标也得到了提高，表明灌浆工作取得了较好的效果。

3 注意的问题

1）在工作开始前，应根据任务要求、现场实际情况等设计好观测系统。在弹性波CT工作中观测系统十分重要，因为不同的射线密度和射线角度直接影响着成像质量和能够发现的最小异常。

2）在数据的采集过程中，要特别注意：震源起震与仪器记录起跳时间的一致性。

3）在用WYS2003软件继续数据反演时，各项参数应根据实际情况选择，初始单元列数不宜过大或太小，否则将引起失真，图形应用插值圆滑处理。

4 结语

应用实例表明，弹性波CT技术具有设备比较简单，施工方便，信息量大，对空间位置的反应精细。在弹性波CT剖面图上可以对岩体进行比较全面的判断，可以比较直观的看到岩体内各波速带的位置、形态等特征，是一种能够对比较大的岩体进行波速测试的技术，具有一定的先进性和实用性。

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