跨孔地震CT在井间岩溶勘察中的应用

2011-06-07张连伟唐筱眸周海滨

铁道勘察 2011年2期

关键词：层析成像波速桩基础

张连伟唐筱眸周海滨

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300251)

1 地质及地球物理概况

该新建铁路沿线多以丘陵、中低山地貌为主,地质构造复杂,岩溶发育以覆盖性岩溶为主。

发育地层为泥盆系到白垩系的灰岩、白云质灰岩、砾岩(砾石成分为灰岩),岩溶及裂隙发育程度不均匀,从微弱发育到强烈发育都有。溶洞中多数具有充填物或含水,以粉质黏土、角砾土等为主。

根据同类工程经验,该区灰岩的纵波波速Vp在4 000～6 000 m/s之间,饱和含水土层的纵波波速Vp在1 500～2 000 m/s之间。基岩与土层之间存在极为明显的波速差异,提供了较好的物性条件,具备了开展跨孔地震CT方法的地球物理条件。

2 跨孔地震CT原理

2.1 工作方法原理

跨孔地震CT技术也称地震波层析成像技术,经常用作高精度孔间地层成像探测。它是在第一个孔内发射器发射地震波到达第二个孔内后被检波器接收,数据传输到地震记录仪中保存以做后处理分析,把地震波传播路径叠加后成像,这种方法类似于医学CT方法。可成功用于岩石(或砾石、沙层))土层(包括软土)等各种地层。依据波在不同介质中传播速度的差异,将接收到的信号转化成波速进行CT成像处理,可精确描述井间地质目标体的几何形态和物理特性。波走时与介质速度的分布关系可用如下方程表示

式中：V(x)是介质的速度分布,R(v)是依赖于速度分布的射线路经。

由上式可见,当介质的地震波速度发生变化时,其走时也随着发生改变。将多条通过介质的地震波射线走时提取出来,反算出介质的地震波速度,从而再重建介质的地震波速度空间分布图像。

2.2 层析成像技术

地震CT的核心技术是地震波射线追踪方法和层析成像反演算法,目前国内外应用广泛且较为成熟的是基于惠更斯原理和网络理论的最短路径射线追踪法(SPR)和联合迭代重建技术(SIRT算法),可以实现高精度弯曲射线CT。国内外多数井间地震波层析成像软件均采用以上算法,通过求解大型的、稀疏的和不适定线性方程组,进行递归迭代反演,从而得到被探测区域的二维速度分布值,重建地下介质的纵波波速图像,并用速度色谱图描绘出来。

3 外业数据采集及资料处理

3.1 仪器设备

此次测试工作采用美国Geometrics公司NZ24型浅层地震仪、德国SWG1005型电火花震源和AQ-2000型24道水听器,震源主频高于500 Hz,传感器频响范围为5～4 000 Hz,接收仪器频响为10～4 000 Hz。

3.2 工作方法

先在钻孔1中某一位置处激发弹性波,并在钻孔2中n个等间隔位置处接收,可测得n个弹性波旅行时；然后,按一定规律移动激发点或接收点的位置,直到完成预先设计好的观测系统(见图1)。

图1 跨孔地震CT观测系统示意

若整个观测系统共激发m次,则可测得m×n个弹性波旅行时,据此信息,利用计算机作反演计算,即可得到被检测体内部的波速图像。

实际工作中孔深最好是孔距的2倍,孔距不大于25 m,观测范围宜选择自最浅基岩面以上1/2孔距,并不少于5 m的土层至孔底。

3.3 资料处理流程

本次资料处理具体操作按以下步骤进行。

①抽道集：将每对跨孔CT的全部原始数据重排成共激发点道集。

②共激发点道集检查：检查数据录质量,发现问题进行重新观测。

③初至拾取：拾取全部共激发点道集各接收点的初至时间,初至时间的正确拾取对数据反演结果至关重要。

④射线平均波速计算：初步计算各射线平均波速,发现平均波速偏离正常范围,分析偏离的原因。

⑤初始速度模型预测：按钻孔情况和射线平均波速,建立预测速度模型；

⑥CT反演：根据初始速度模型和初至时间,应用CT反演软件,选择0.5 m×0.5 m的节点间隔(小跨距的剖面)或1.0 m×1.0 m的节点间隔(大跨距的剖面),进行叠代计算。

⑦波速影像图绘制：根据反演得到的速度模型,以100 m/s速度间隔进行色分,叠加工程地质剖面图,制作波速影像图。

⑧跨孔地震CT反演波速影像及综合地质解释剖面图绘制：以波速影像图为背景,叠加钻孔资料、物探地质解释成果,绘制包含岩土分层、基岩起伏形态、溶洞边界的综合解释地质剖面。

4 应用实例分析

跨孔地震CT在新建铁路线桥梁桩基础勘察中基开展了大量的测试工作。在桥梁桩基础设计中,一般根据不同的承载力设计为桩数和桩距不同的工程类型。在开展跨孔地震CT测试中,根据桩基础内不同的桩孔及钻孔位置,设计相应的观测系统。以某特大桥桥址54号桩基础为例(见图2),基础内钻孔揭示该地区岩溶弱发育或中等发育,先对该区钻探资料及波速影像图进行充分的综合分析、对比,确定该地区各类岩土层的波速范围及地质特征(见表1)。

图2 某特大桥54号桩基础钻孔及测线平面示意

表1研究区内岩土层弹性波速

物探分区跨孔弹性波波速/(m/s)钻孔岩芯特征完整灰岩≥4500钻探中岩芯完整,呈长柱状,短柱状,无溶洞溶蚀裂隙发育区2500～4500钻探中岩芯呈短柱状或碎块状,或见溶蚀、裂隙发育现象。局部见规模较小(几十厘米以内)的小溶洞岩溶1500～2500钻探中见规模较大的溶洞或串珠状的溶洞,多为泥充填覆盖层≤2500基岩面以上的区域,饱和含水,部分可能存在有孤立的风化残余岩块

从图3中的跨孔地震CT反演解释剖面图中可以看出,基岩与覆盖层在波速上差异明显,在高程-2～10 m之间,剖面L1、L2、L3、L4均存在一明显的带状低速带,结合钻孔资料推断为砾岩中夹有一层软弱的粉砂岩。在高程-4 m左右,砾岩岩石中存在相对较低的低速区,因砾岩成分中含有灰岩成分,推断位不同程度的溶蚀裂隙发育。经过验证,钻孔揭示实际地层与地震CT反演结果吻合,充分说明岩溶及裂隙发育在空间位置的准确,从而为墩台设计提供丰富的勘察资料。

图3 某特大桥54号桩基础跨孔地震CT反演解释剖面

图4为某特大桥7号桩基础平面示意,剖面线由ZK-1、ZK-2、ZK-5、ZK-10钻孔组成。图5为7号桩基础跨孔地震CT反演解释剖面,经过对比分析,划分出岩层界线。可以看出，在ZK-5、ZK-10两孔分界位置对应地层连续。也同时说明了反演结果符合地层规律。基岩以下位置中存在明显的低速带区域,呈不同倾向的条带状分布,分布范围较大。根据钻孔揭示的地层推断低速带为岩溶裂隙发育区。

图4 某特大桥7号桩基础钻孔及测线平面示意

图5 某特大桥7号桩基础跨孔地震CT反演解释剖面

在此次跨孔地震CT技术的应用当中,数据处理中初至时间尽管在软件设计当中存在智能拾取,但是往往随机性较大,需要加强人工干预判断正确的时间记录点,这也是工作流程中影响数据反演结果的重要环节，应结合施工区区域地质、地球物理特征，划分合理的波速范围与地质特征相对应。实际工作中需要结合不同的地质情况,不同岩性的岩层岩溶发育特点综合考虑，充分利用钻孔揭露的地质情况,从跨孔地震CT反演解释剖面图中准确地判断波速异常位置及地质体类别，从而提高成果解释精度,提供可靠的地球物理及地质信息。