套管折射波对弹性波CT反演结果的影响探讨

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(水利部长江勘测技术研究所，武汉　430011)

1　研究背景

随着城市地面交通的压力增大，越来越多的城市都在修建或准备修建地铁，截至2015年，全国25个城市已经开通地铁，共有38个城市获批准修建城市地铁项目。地铁施工一般采用盾构法技术，在盾构法隧道施工过程中，可能会遇到随机分布的孤石，孤石不仅会对盾构机的刀盘造成破坏，而且会延误工期，造成极大的经济损失。在厦门、武汉地铁盾构施工中都发生过因孤石造成的工期延误情况。为了避免这种情况，需要对可能分布孤石的区域进行沿线的补充勘察，进一步准确掌握孤石的分布情况，然后在盾构掘进前对孤石进行爆破或采取其他处理方式。

目前工程地球物理勘察方法中地质雷达、井中高密度电法、电磁波CT(Computerized Tomography)、弹性波CT等10余种都在孤石勘察中进行过尝试和应用。其中弹性波CT法可以获得2孔间地下介质弹性波速度的空间分布，而弹性波在孤石及其周围介质(土体)中传播速度有较大差异，故相比于其他方法，弹性波CT法对孤石定位较好，与钻孔揭露结果较为吻合[1]。

本文根据武汉机场线轨道交通孤石检测的工程应用，在弹性波CT法探测孤石取得较好成果的同时，探讨沿PVC套管的折射波对数据处理成果的影响。

2　弹性波CT技术原理

CT技术又称为计算机层析成像技术，是电子计算机技术发展后的一项新兴技术，与传统方法相比，CT技术数据量大，结果精确。地球物理领域主要应用为电磁波CT[2]和弹性波CT[3-6]。弹性波CT可分为地震波CT和超声波CT，二者成像方法原理基本一致，在实际应用中，超声波CT使用超声波，频率高，波长短，分辨率高，适合能量损耗小的介质(水泥，钢)；地震波CT使用地震波，频率低，波长长，能量大，传播距离远，适合异常规模大，能量损耗大的介质。鉴于实际情况，本文采用地震波CT方法。

现场工作中，发射孔与接收孔为位于同一平面的平行孔，震源在发射孔中按一定间隔距离依次激发弹性波，在接收孔中通过多道检波器接收弹性波，在两边之间作出大量交叉的弹性波射线，读取弹性波到达各检波器的时刻。将每次震源激发位置，检波器接收位置及弹性波到达时刻等参数代入CT反演程序，得到弹性波在发射孔与接收孔间介质的传播速度剖面，根据速度剖面中的异常划分孤石的位置及规模。

3　机场线弹性波CT孤石探测简介

武汉市轨道交通机场线工程起于天河机场T3航站楼，出机场后折向东南沿巨龙大道、盘龙大道、宏图大道、金银潭大道走行，止于2号线一期工程起点金银潭站。线路全长19.53 km，设站7座。据机场线的初勘、详勘阶段地质资料揭露，该线路府河以北的部分区段在盾构埋深范围内分布有粉质黏土夹碎石、碎块石夹土等地层，其中块石及碎块石对盾构施工会带来不利影响，尤其是当存在块径较大的块石时，会对盾构的正常施工进度产生直接影响。

机场线弹性波CT孤石探测钻孔沿双向隧道中心线布置，距离20 m，孔深随隧道埋深变化，超过隧道底部埋深10 m，弹性波CT剖面布置见图1。为防止缩孔、塌孔，钻孔结束后下PVC管。发射震源采用电火花震源，接收采用双12道水上漂浮检波器，主机采用24道地震仪。

图1　机场线弹性波CT探测孤石剖面布置示意图Fig.1　Profile of the elastic wave CT detection forboulders

4　折射波识别

本文中折射波(Refracted Wave)与地面折射波法勘探中的折射波略有不同。震源(电火花)在发射孔中激发弹性波，弹性波在介质(本文中为粉质黏土)中向接收孔方向传播。由于接收孔有PVC套管(可视为弹性分界面)护壁，而且弹性波在PVC套管中传播速度大于在粉质黏土中的传播速度，当入射角达到临界角(使透射角为90°)时，见图2(a)中红线所示，透射波将沿套管壁滑行，形成滑行波。滑行波沿套管壁附近滑行传播且只在靠近2种介质分界面的下介质(套管壁)中存在，由于套管壁厚度远小于滑行波波长长度，所以滑行波在整个套管壁内进行传播。当滑行波沿PVC套管壁滑行时，引起套管壁两侧周围介质质点振动，形成折射波[7]。套管内折射波通过井液传播到接收检波器，由于套管半径远小于临界点与接收点处的间距，可以认为折射波波速即为套管壁内滑行波波速。折射波传播路径距离虽然大于直达波，但由于在套管段折射波传播速度较快，所以折射波先于直达波到达接收检波器。图2(b)中红线以上的检波器先接收到折射波(红线所示)，后接收到直达波(蓝线所示)。

图2　剖面GP95—GP97实测波形与发射、接收换能器位置对应示意图Fig.2　Locations of transmitting and receivingtransducers and corresponding measured waveformsalong section GP95—GP97

现场测试时电火花震源由钻孔底部开始激发地震波，并逐步提升到孔口。当震源处于钻孔下部时经常出现折射波，图2(b)可以看出位于钻孔上部的5道波形出现了正起跳。如图2(a)所示钻孔GP95与钻孔GP97之间的水平距离20 m，发射探头位于钻孔GP95，接收检波器位于钻孔GP97，第1道检波器位于孔深5 m处，接收检波器道间距1.0 m，第24道检波器位于孔深28 m处。由于孔间地层速度不同，随着发射探头的提升，入射角逐渐无法满足临界角要求时，折射波逐渐消失。但当发射探头在钻孔上部时，位于钻孔底部的检波器并未出现折射波现象。分析其原因可知，随着介质深度的增加，套管周围介质波速也相应地增加，与套管波速差别不大，甚至大于套管波速，而无法使入射角满足临界角要求，故不存在折射波现象。

折射波的初至起跳为正起跳(本工区直达波初至起跳为负起跳)，折射波初至时刻经过读时，呈线性，如图3所示。

图3　剖面GP95—GP97弹性波CT记录读时曲线Fig.3　Travelling time of direct wave and refractedwave along section GP95—GP97

表1为剖面GP95—GP97弹性波CT记录读时简化表。根据表1可以计算出折射波的波速为4 m/(16.25 ms-14.75 ms)=2 667 m/s，此波速为弹性波在硬质PVC管中传播速度。起跳为正起跳、走时呈线性这2点可以作为判定折射波的依据。

表1　剖面GP95—GP97弹性波CT记录读时Table 1　Travelling time of two elastic waves alongsection GP95—GP97

5　处理结果对比

弹性波CT反演的基础为扇形测试获取大量的首波(初至时刻参与反演计算的波)走时数据[3]，首波走时数据的准确性决定了反演结果的准确性。本文分为以下3种情况：

(1)先到的折射波是首波。

(2)在折射波后到的直达波是首波。

(3)折射波后没有可以算为首波的直达波。

为了比较上述3种情况，将同一剖面按以下3种方式各处理一遍。

(1)存在折射波的炮记录中的折射波到达时刻作为首波走时参与反演。

(2)在折射波后的直达波到达时刻作为首波走时参加反演。在本工区中，没有折射波的记录中，作为首波的直达波均负起跳，所以在有折射波的纪录中，在折射波后寻找因为叠加了直达波的负起跳而造成的波形相位突变点作为首波到达时刻(见图4，图中波形即为图2中波形局部放大)。在此种情况下，当波形相位突变点明显时，直达波的判读并不困难；当波形相位突变点不明显时，走时时刻的判读就需要根据经验及参考相邻道来确定。

图4　折射波后直达波走时时刻Fig.4　Travelling time of directwave after refracted wave

(3)所有存在正起跳折射波的数据道不读首波走时时刻，进行反演。

将以上3种情况分别进行反演(首波走时数据不同，其他反演参数均相同)，得到图5。

图5　剖面GP95—GP97弹性波CT反演成果对比Fig.5　Results of inversion from three methods forsection GP95—GP97

图5中显示，3种反演结果对于弹性波在土中的传播速度分布较为一致：剖面中深度5～10 m段，土的波速为800～1 300 m/s；深度10～13 m段，土的波速为1 300～1 800 m/s；深度13～28 m段，土的波速为1 800～2 200 m/s。

3种反演结果对于碎石异常有很大差异：①在图5(a)中，可能含碎石的波速高值异常区域伸入盾构隧道内，在钻孔GP95深度16～18 m段波速2 200～2 500 m/s，为可能含有碎石区；在钻孔GP97深度5～8 m段波速1 300～1 900 m/s，为相对波速高值区。②在图5(b)中，钻孔GP95深度17～18 m段波速2 500～3 000 m/s，为含碎石区，深度14～24 m段波速2 200～2 500 m/s，为可能含碎石区。③在图5(c)中，钻孔GP95深度17.4～17.6 m段波速2 500～3 000 m/s，为含碎石区，深度14～20 m段波速2 200～2 500 m/s,为可能含碎石区。

从取芯照片可以看出，在钻孔GP95深度17～18 m段为碎石区(见图6(a))；钻孔GP97深度5～8 m段未发现波速1 300～1 900 m/s的相对波速高值区，见图6(b)。

图6　钻孔GP95,GP97部分孔段取芯照片Fig.6　Rock cores of borehole GP95 and GP97

通过后续跟踪盾构掘进情况，在钻孔GP95与钻孔GP97间也并没有出现因碎石影响掘进的情况。由此可见，3种处理方式中，把折射波到达时刻作为首波走时时刻参与反演会引起异常错位，即产生虚假异常，效果最差；把折射波后的直达波到达时刻作为首波走时时刻参与反演，异常位置、范围准确，效果最好；把含折射波道的首波时刻空置，进行反演，异常位置、范围虽较为准确，但因参于反演的数据量减少，效果略差于把折射波后的直达波到达时刻作为首波参加反演的结果。

6　分析及结论

弹性波CT所利用的有效波应为直达波，所以，正确区分直达波与折射波初至时刻成为关键。实际生产中因套管原因造成折射波先于直达波到达接收检波器的情况在弹性波CT中所见不多，所以折射波作为首波走时参与反演对于结果所造成的影响也较少得到重视。造成这种情况的原因是因为弹性波CT以往多用于在高速介质中寻找低速异常[8]，如在灰岩区寻找岩溶；在灌浆检测中寻找破碎、裂隙区；桥梁混凝土构件中寻找裂隙、空洞等。在高速介质中寻找低速异常时，弹性波在套管中传播速度低于周围的高速介质，故不会产生折射波。

综合上文分析，得到以下结论。

(1)在低速介质中寻找高速异常的弹性波CT工作时，当低速介质波速与套管波速相差较大时，且发射位置与接收位置、套管位置满足折射产生条件(入射角达到临界角)时，会出现折射波，折射波的判定可根据以下2点：①折射波的起跳相位与正常首波起跳相反；②折射波的走时时刻呈线性。

(2)在存在折射波的剖面处理中，一定不能将折射波的到达时刻作为首波的走时时刻参与反演，否则会在反演结果中产生异常移位、虚假异常等现象。

(3)在存在折射波的剖面处理中，应该将折射波后的直达波到达时刻作为首波走时时刻参与反演；如果直达波到达时刻不好判读，应该将该道首波走时时刻空置。

参考文献：

[1]徐佩芬，侍文，凌素群，等. 二维微动剖面探测“孤石”：以深圳地铁7号线为例[J].地球物理学报，2012，55(6)：2120-2128.

[2]刘海涛，董艳平，彭军，等.电磁波层析成像反演射线路径的探讨[J].长江科学院院报，2015，34(8)：135-138 .

[3]王家映. 地球物理反演理论[M].武汉：中国地质大学出版社，1998.

[4]王运生，王家映，顾汉明. 弹性波CT关键技术与应用实例[J].工程勘察，2005，(3)：66-68.

[5]王运生.最佳路径算法在计算波路中的应用[J].物探化探计算技术，1992，14(1)：32-36.

[6]涂善波，毋光荣，裴少英. 弹性波CT在大坝截渗墙检测中的应用[J].工程地球物理学报，2010，7(3)：286-291.

[7]陆基孟，钟国森，陆邦干.地震勘探原理及资料解释[M].北京：石油工业出版社，1982.

[8]牛建军，杜立志，谷成. 岩溶探测中的弹性波CT方法[J].吉林大学学报(地球科学版)，2004，34(4)：630-633.