地铁地下工程中应用地震波CT技术探测孤石的参数选择*

胡晓娟

(1.福建省地质工程勘察院,350002,福州; 2.自然资源部丘陵山地地质灾害防治重点实验室,350002,福州∥第一作者,工程师)

在地铁地下工程施工过程中经常会遇到孤石,这可能会严重影响地铁的施工进度,因此在地铁施工前进行地下孤石的探测,确定施工区域内地下孤石的分布情况,有利于提高地铁地下工程施工的效率。

地震波CT(计算机辅助层析成像)技术可在不损害测试对象的前提下“透视”测试对象的外部及内部结构,具有分辨率高、可靠性好、图像直观和信息量大等特点,通常用来探测规模较小但探测精度要求高的地下介质细结构[1-2]。CT技术探测参数(钻孔间距、检波点距及激发点距)的设定,直接影响了探测结果的分辨率。因此,很有必要关注这些探测参数,并就其对探测分辨率的影响开展研究。

1 地震波CT技术的原理

地震波CT技术通过对探测得到的弹性波各种震相的动力学(如波形、振幅、相位及频率等)和运动学(如走时及射线路径等)资料进行分析,进而反演得到地下介质的结构、波速分布情况及弹性参数等重要信息[3]。

地震波在地质体中传播时,岩土体纵波传播速度vp的计算式为:

(1)

式中:

E——介质的弹性模量;

ρ——介质的密度;

μ——介质的泊松比。

地震波CT技术采用一发多收的扇形穿透地质体。激发探头经逐点激发后,在被测区域内形成密集的射线交叉网络。在地震波CT技术中,常常先把地层介质网格化,进而将射线追踪问题转化为射线通过网格单元时的坐标、射线长度及走时问题。通过反演得到每个像单元的vp,再采用适当的平滑插值技术绘制出vp的等值线图,也可采用色谱和像素来表示vp图像。图1为相邻2个垂直钻孔间探测区域的CT射线网络及地层介质网格化示意图,其中:dzk为相邻2个垂直钻孔的间距;djf为相邻2个激发点的间距;djb为相邻2个检波点的间距。

图1 相邻2个垂直钻孔间探测区域的CT射线网络及地层介质网格化示意图

2 地震波CT探测参数对分辩率的影响

地震波CT技术的探测分辩率指能够准确识别异常体的最小尺寸及风化程度(通过识别异常体的vp来确定)。地下不同的岩土体(介质)弹性参数不相同,地震波在岩土介质内的vph也不同,其在各种硬质岩石内的vp如表1所示。通常情况下,致密完整岩体的vp较大,疏松碎裂岩体的vp较小[4-5]。地下孤石属于中风化-微风化介质,其vp较大,与其周边的介质间存在较大的波速差异[6],因此可采用地震波CT技术对孤石进行探测。

表1 各种硬质岩石的vp

本文依托福州地铁1号线某车站的工程实际,就地震波CT探测参数对探测分辩率的影响进行深入研究。在该站地下连续墙(以下简称“地连墙”)施工过程中,在埋深13.0～33.0 m范围内遇到了中风化孤石,对地连墙成槽造成了一定影响,因此,准确探明地连墙位置的孤石分布情况,对地连墙挖槽施工具有重要意义。采用地震波CT技术在疑似存在孤石区间的3个方向上布置了8个钻孔(ZK1—ZK8),其平面位置图如图2所示。

2.1 不同的dzk对探测分辩率的影响

在相同的探测条件下,保持除dzk以外其他参数不变,仅改变dzk的取值。如图2所示,选取在一条直线上的3个钻孔,钻孔编号为ZK1、ZK2及ZK3,钻孔深度均为33.0 m。其中:ZK1与ZK2的dzk,12=10.4 m,ZK2与ZK3的dzk,23=4.6 m。

2.1.1 钻孔间距为10.4 m时地震波CT探测结果

在ZK1处布置激发孔,在ZK2处布置接收孔,则钻孔间距dzk,12=10.4 m。图3为钻孔间距为10.4 m时地震波CT探测结果。由图3可知:vp>2 600 m/s的高速介质推测为地震波通过地下孤石时的波速异常反应;埋深大于30.0 m且vp>2 600 m/s的高速介质为中风化基岩。

图3 钻孔间距为10.4 m时地震波CT探测结果截图

当钻孔间距为10.4 m时,采用地震波CT技术探测得到ZK2处孤石分布的深度范围为25.0～28.5 m。采用钻探技术探测得到ZK2处的孤石深度范围为25.0～28.5 m。钻探的探测结果和地震波CT的探测结果一致。

2.1.2 钻孔间距为4.6 m时地震波CT探测结果

在ZK2处布置激发孔,在ZK3处布置接收孔,此时的钻孔间距dzk,23=4.6 m。图4为钻孔间距为4.6 m时地震波CT探测结果。由图4可知:vp>2 600 m/s的高速介质推测为地震波通过地下孤石时的波速异常反应;埋深大于30.5 m且vp>2 600 m/s的高速介质为中风化基岩。

图4 钻孔间距为4.6 m时地震波CT探测结果截图

当钻孔间距为4.6 m时,采用地震波CT技术探测得到ZK2处孤石分布的深度范围为25.0～28.5 m。采用钻探技术探测得到ZK2处的孤石深度范围为25.0～28.5 m。钻探的探测结果和地震波CT的探测结果一致。

2.1.3 钻孔间距为15.0 m时地震波CT探测结果及对比

在ZK1处布置激发孔,在ZK3处布置接收孔,此时的钻孔间距dzk,13=15.0 m。图5为钻孔间距为15.0 m时地震波CT探测结果。由图5可知:vp>2 600 m/s的高速介质推测为地震波通过地下孤石时的波速异常反应;埋深大于30.0 m且vp>2 600 m/s的高速介质为中风化基岩。

图5 钻孔间距为15.0 m时地震波CT探测结果截图

当钻孔间距为15.0 m时,采用地震波CT技术探测得到ZK2处孤石分布的深度范围为24.5～28.8 m。采用钻探技术探测得到ZK2处孤石深度范围为25.0～28.5 m。钻探的结果和地震波CT探测结果存在误差,误差范围约为0.3～0.5 m。

对图3—图5进行综合对比,其对比结果如表2所示。由表2可知:钻孔间距为10.4 m及4.6 m时,地震波CT探测结果均与钻探结果一致,而钻孔间距为15.0 m时地震波CT探测结果存在一定误差。当钻孔间距小于等于10.4 m时,地震波CT探测结果显示出孤石形态更清晰;当钻孔间距大于10.4 m时,地震波CT探测结果显示孤石分布区域较大,孤石的边界较圆滑,孤石形态较模糊。

表2 不同dzk下ZK2处地震波CT探测结果对比

2.2 不同的djf、djb组合对探测分辩率的影响

除djf、djb外其他参数不变,选取两种工况下不同的djf、djb组合,对地震波CT的探测结果进行对比分析。

2.2.1 工况一下两种djf、djb组合的地震波CT探测结果对比

工况一选取钻孔ZK4和ZK5,钻探深度均为33.0 m,此时的钻孔间距dzk,45=14.5 m。工况一下再选取2种djf、djb组合进行对比分析,其中,组合1为djf,45=1.0 m、djb,45=1.0 m;组合2为djf,45=2.0 m、djb,45=2.0 m。

2.2.1.1 组合1的地震波CT探测结果分析

图6为组合1的地震波CT探测结果。由图6可知:vp>2 600 m/s的高速介质推测为地震波通过地下孤石时的波速异常反应;埋深大于31.0 m且vp>2 600 m/s的高速介质为中风化基岩;在距离ZK4约0～2.0 m、埋深22.0～23.5 m处,分布了1块宽度及厚度均不大于2.0 m的孤石;在距离ZK4约3.5～7.5 m、埋深27.0～28.5 m处,分布了1块宽度大于2.0 m、厚度小于2.0 m的孤石。

图6 工况一下组合1的地震波CT探测结果截图

组合1下,钻探探测结果为ZK4处孤石深度范围为22.0～23.1 m,地震波CT探测ZK4处的结果与钻探结果相差0.4 m。

2.2.1.2 组合2的地震波CT探测成果分析

图7为组合2的地震波CT探测结果。由图7可知:vp>2 600 m/s的高速介质推测为地震波通过地下孤石时的波速异常反应;埋深大于31.0 m且vp>2 600 m/s的高速介质为中风化基岩。距离ZK4约3.5～8.2 m、埋深27.0～28.5 m处,分布了1块宽度大于2.0 m、厚度小于2.0 m的孤石。

图7 工况一下组合2的地震波CT探测结果截图

组合2下,钻探探测结果为ZK4处孤石深度范围为22.0～23.1 m,而地震波CT探测结果图同样区域内的vp并无明显异常反应(此时vp<2 600 m/s),地震波CT探测结果与钻探结果不符。

2.2.1.3 组合1和组合2的探测结果对比分析

1) 若孤石的宽度或厚度大于等于2.0 m,组合1和组合2的探测结果基本相近,组合2探测出的孤石形态更加圆滑。

2) 若孤石的宽度或厚度小于2.0 m,组合2受边缘盲区效应及探测分辨率的影响,无法准确探测出孤石,而组合1可基本满足探测精度的要求。

3) 组合1和组合2下,除钻孔边缘处的其他位置射线覆盖率的差异较小,故其他位置的波速异常分布范围及形态大小基本相似。

2.2.2 工况二下两种djf、djb组合的地震波CT探测结果对比

工况二选取钻孔ZK6、ZK7及ZK8,3个钻孔在一条直线上,钻探深度均为30.0 m,ZK6与ZK7的钻孔间距dzk,67=10.5 m。ZK8为验证钻孔,ZK8和ZK6的钻孔间距dzk,68=6.0 m。ZK7和ZK8的钻孔间距dzk,78=4.5 m。工况二下再选取2种djf、djb组合进行对比分析,其中,组合3为djf,67=0.5 m、djb,67=0.5 m;组合4为djf,67=1.0 m、djb,67=1.0 m。

2.2.2.1 组合3的地震波CT探测成果分析

图8为组合3的地震波CT探测结果。由图8可知:vp>2 600 m/s的高速介质推测为地震波通过地下孤石时的波速异常反应;埋深大于29.0 m且vp>2 600 m/s的高速介质为中风化基岩;距离ZK6约2.0～8.5 m、埋深21.0～24.5 m处分布了孤石1;距离ZK6约0～6.0 m、埋深26.0～29.0 m处分布了孤石2。

钻探探测ZK8处孤石深度范围为20.5～22.5 m,而地震波CT探测ZK8处孤石的埋深范围为21.0～22.8 m,该探测结果与钻探结果相差0.3～0.5 m。

2.2.2.2 组合4的地震波CT探测成果分析

图9为组合4的地震波CT探测结果。由图9可知:vp>2 600 m/s的高速介质推测为地震波通过地下孤石时的波速异常反应;埋深大于29.0 m且vp>2 600 m/s的高速介质为中风化基岩;距离ZK6约1.5～8.5 m、埋深21.2～24.5 m处分布了孤石1;距离ZK6约0～7.0 m、埋深26.0～29.0 m处分布了孤石2。

图9 工况二下组合4的地震波CT探测结果截图

钻探探测ZK8处孤石的深度范围为20.5～22.5 m,而地震波CT探测ZK8处孤石的埋深范围为21.2～23.0 m,探测结果与钻探结果相差0.5～0.7 m。

2.2.2.3 组合3和组合4的探测结果对比分析

1) 组合3和组合4的探测结果基本相似,但组合3的探测结果误差相对较小。

2) 组合4探测出ZK8埋深26.0～29.0 m处存在孤石,但实际钻探过程中并未钻探到该孤石,由此可推断为该孤石形态大小存在一定误差。

3) 与组合4相比,组合3的射线网络覆盖较密集,射线网络的盲区较小,故组合4的ZK8钻孔深度26～29 m范围刚好位于剖面的中底部附近,受剖面中间底部盲区效应的影响,地震波CT探测得到的孤石形态存在误差。

3 结论

1) 地震波CT技术采用小孔距进行探测时,更能体现孤石的形态及大小特征;采用大孔距探测得到的孤石分布范围与实际分布范围相比偏大,孤石的形态和大小特征较模糊。

2) 采用相对较大的激发点距及检波点距进行探测时,探测误差相对较大;特别是位于钻孔边缘及剖面中间底部的盲区位置,可能会出现无法识别出较小的孤石或探测得到的孤石形态比实际形态偏大等情况。

3) 综合考虑探测工作效率及探测精度的要求,建议选取钻孔间距约10.0 m、激发点距和检波点距均为1.0 m进行地震波CT探测。