基于地震CT的地铁工程钻孔详查技术研究

2013-05-14侯伟清

实验流体力学 2013年4期

侯伟清叶英

(北京市市政工程研究院，北京 100037)

我国目前正处于地铁建设的高峰期，必然带来大规模的地铁勘察工作。一般地铁埋深在20～30 m左右，勘察难度在于需要考虑较多的城市环境问题，以及浅部管线、交通等。地震CT技术作为一种物探技术，如今越来越多的应用在工程领域中，通过将地震CT技术与钻孔相结合，并结合透射法及反射法，研发一套地震CT空间探测系统。

1 研究背景

1.1 地层划分

地铁勘察中，由于采用钻探取样及室内试验或静力触探确定地层信息，地层分布图往往通过两钻孔的地层资料直线相连得到，孔距或土样扰动过大会降低地层划分的精度。

(1)钻孔间距

根据《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》5.3.3、5.4.3，初勘阶段钻孔的间距为100～200 m，详勘阶段钻孔的间距根据表1确定[2]。

表1 勘探孔间距 m

在地铁区间的地质勘察中，钻孔间距一般在30 m以上，分布较为稀疏，而由于自然及人为作用，地层的实际情况十分复杂，相邻钻孔间的地层情况以“点探”并两点连线作为地层划分可能存在较大的误差，对地铁施工的指导作用有待商榷。

(2)土样信息

对于钻探得到的土样，由于运输及取样时存在扰动的问题，由此进行室内土工试验所得地层信息可能存在偏差。

为获得准确的地层信息，实际工程中往往将钻探与物探技术相结合。地震CT以其激发能量较小、勘探精度较高等特点，能够实现对地层的精细描述。

1.2 地震CT技术

人工震源(如机械敲击、可控震源、爆炸等)所激发产生的地震波在地下岩层、土壤或其他介质中传播时，通过弹性特征各不相同岩层的分界面时，将产生反射或折射，并且有纵波、横波、面波等之分，而这些不同类型的波具有不同的传播速度、路径、频率和强度。利用直达波、反射波、折射波、面波等各种组合，及钻孔、隧道、边坡、地面、混凝土(如结构)等各种观测条件，通过专门的反演算法可进行二维或三维地质成像。

目前，地震CT已经发展成为一个方法系列，成像的物理量包括波速、能量衰减、泊松比等各种类型。本文所涉及的三维层析成像系统采用的是速度谱分析法和绕射叠加进行深度偏移来处理地震剖面，基于观测点作为振动分量在空间取向的函数来追踪地震波的相位[3]。

对于地下空间模型，将其划分为网格，把每个网格点作为反射点，对于反射点P，深度为H，所处的记录道为Si(地表水平位置为Xi)，扫描点P对应任意记录道Sj(地表水平位置为Xj)的反射波旅行时tij为[4]

式中，m为参与偏移叠加的记录道；v为地层的地震波传播速度。多通道的初至波的tij算得后，再通过人工校正的方法将同相轴校正，选择一系列的试验速度然后进行各道取值叠加，一系列的速度就对应一系列的振幅值构成速度谱线。其叠加公式为[5]

式中，gi(t)为第i道t时刻的样值；K为时窗大小；A为平均振幅。

经过速度谱分析后，便可进行速度拾取，这样岩土体在空间各个方向上就有了视速度的空间分布，该分布可进行深度偏移及岩土体参数计算。

2 设备研发与调试

地震波CT仪器通常都是由地震仪主机、检波器串、震源以及触发器组成，其中前三者是地震波CT仪器的主要部分，触发器的功能是在震源发射的瞬间，给主机提供一个触发信号，主机开始采集数据，也就是衔接地震仪主机和震源的装置[6]。本文所涉及的钻孔与地面相结合的地震波空间探测方法，是在USP地下工程施工超前地质预报系统的基础上研发的。

2.1 仪器组成

(1)震源

采用人工锤击及电火花震源。

(2)数据采集系统

MHHC采集器，256通道，该采集器具有多通道、高精度、高速、同步信号采集的特点。

(3)检波器

PS-100A动圈式检波器。

目前在浅层地震勘探中，有效反射波的频谱约为100～150 Hz，干扰面波的频谱约为10～40 Hz，因此主要采用中高频检波器来接收地震波，如固有频率40 Hz、60 Hz和100 Hz，一般来说，为了压制低频噪声，提高信号主频，拓宽地震记录的高频上限，选取100 Hz的检波器[7]。

(4)检波器串

地面检波器串：64个检波器，由68芯信号电缆串接而成，使用时一般将尾椎插入地面或将检波器倒置并用石膏等耦台剂黏接。

孔中三分量检波器串：70 mm/90 mm规格，分别应用于内径70 mm及90 mm的测斜管，在钻探封孔前下测斜管，利用测斜管内壁上的十字槽滑动三分量检波器。根据《建筑工程地质勘探与取样技术规程》及施工经验，在地铁勘察中，用于鉴别与划分地层的钻孔孔径一般在75 mm及以上，而取原状土样的钻孔孔径一般不小于91 mm[8]。

(5)其他装置

68芯、20芯信号电缆，放线车，触发器，铁锤，航空插头，卷尺等。仪器组成见图1。

图1 仪器组成

2.2 成像系统

本系统所涉及的地震CT三维成像系统是在USP系统的基础上二次开发而成，USP系统为北京市市政工程院研发的地下工程施工超前地质预报系统，系统应用见图2。

图2 USP21系统

相比于其他CT反演软件，地震CT三维成像系统具有以下特点。

(1)可编辑的ini文件：ini文件为windows下的配置文件，用户可自定义接收器及炮点的位置信息，以实现排布与接收的灵活设置；

(2)多震源、多接收器以及多次叠加次数的方法组合：多达256通道的数据采集及多炮点的联合(覆盖)，从而构成高密度的三维数据结构体，多次叠加能压制噪声，提高信噪比；

(3)三维数据图像：具有整体性强、直观等特点，且能够从不同方向任意切割、安装，能对任意一个面作细化描述，整个过程可平移、放大、旋转，从而实现最佳显示。

2.3 室内试验

室内试验目的是调试设备及测试三维地震CT成像的有效性，为下一步的野外试验做准备。图3为地面观测系统设计，由于室内条件下孔中CT测试条件不满足，只进行地面多个炮点文件的联合成像，图4～7分别为单次激发所得的波形图，图8为反射法联合成像。

图3 地面观测系统设计

图4 地面检波器串波形图

图5 地面检波器串波形变密图

图6 三分量检波器串(70 mm规格)波形图

图7 三分量检波器串(90 mm规格)波形图

图8 反射CT联合成像——等值面图

图像分析：单次激发，地面与三分量检波器串波形重复性好，同相轴明显且无断层，与震源及检波器布置契合；通过联合成像，本套设备可有效实现三维地震CT成像，能对地下结构体轮廓作出一定精度的描述。

室内试验表明，本套装置测得的均一介质地震图谱规律性明显，进一步做院内测试，试验表明装置性能良好，并能实现三维CT成像，可进入现场试验测试。

3 野外操作步骤

本系统工作方法：利用电火花震源孔中激振或者人工锤击产生地震波，同时通过外触发的方式同步到数据采集仪，通过地面检波器串以及孔中三分量检波器串接收直达波或者反射波，并记录到数据采集仪上，利用计算机技术实现对各地层信息的采集与判译，对钻孔间地层分层情况作出详细的描述，工作示意见图9。

图9 工作示意

具体操作步骤如下：

①根据待测现场地形条件及周边环境，选择震源的激发方式并设计检波器的排布方式、炮点排布。

②勘察孔封孔前安装护壁管，护壁管的外径有90 mm、70 mm两种规格，对于锤击震源，放置并连接触发器，对于电火花震源，在另一勘察孔内注水，连接电火花探头并伸入水面以下。

③地表面与探测孔布设检波器串，检波器串与位于地面的数据采集仪连接，数据采集仪与计算机连接。

④打开计算机，根据地质情况选择合理的探测参数，例如采样率、采样点数等，并读取位置信息。激发震源，计算机同步收到地震波的走时资料，并对这些声学参数及波形变化做分析研究，得到地震CT空间成像图。

⑤进行地质情况的判译，分析地层信息情况，操作流程见图10。

4 工程实例

4.1 勘察资料

以北京某地铁段地质勘查为例，钻孔编号为CD05，位于朝阳公园西侧停车场，地势空旷，外界干扰少，探得地下水位距地表5～6 m，钻孔位置及地层分布见图11、图12。

根据钻探结果，CD05处地层分布为：0～1.1 m为地层①(粉土填土)，1.1～5.2 m为地层①1(杂填土)，5.2～8.3 m为③1(粉质黏土)，8.3～12.2 m为④3(粉细砂)，12.2～15.4 m为④(粉质黏土)，15.4～16.9为④3(粉细砂)，16.9～19.5 m为⑤1(中粗砂)，19.5～23 m为⑥(粉质黏土)，23～24.5 m为⑦2(粉细砂)，24.5～29.1 m为⑦1(中粗砂)，29.1～31.6 m为⑦(圆砾)。

图12 地层分布

4.2 观测系统

本次试验采取锤击作为震源，检波器及炮点排布见图13、图14。

图13 透射法三维观测系统

图14 反射法炮点及接收器排布

透射法布置：孔中布设三分量，间距1 m，深度18 m；炮点间距1 m，共计134炮，具体位置见图13。

反射法布置：检波器间距为0.25 m，共布设64个检波器；炮点间距1 m，共布设4条测线，共计54炮，具体位置见图14。

4.3 图像判译

图像解释：图15、图16、图17为三维原始数据等值面图，从图中可以看出地表处能量较强，地下1.5至6 m左右能量弱，6 m以下，随着深度加大图谱中颜色也逐渐加深，即反射能量逐渐加强，并能明显看出分界情况。结合场地条件及地质资料：地表处为透水砖及沥青路面(见图18)，较为密实，地震波传播速度快；地表至地下5 m为填土，土质疏松；现场测得地下水位深度为6 m，一般来说，当土层孔隙中充满流体水时，土层纵波波速会迅速的上升至1 400 m/s(水的纵波波速)；随着深度的加深，土骨架本身的纵波波速会超过1 400 m/s，且分层情况明显。