孔内声波CT技术在软土地区地下溶洞调查中的应用.doc

孔内声波 ct 技术在软土地区地下溶洞调查中的应用王千年,车爱兰,郭强,于凯（上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海200240）摘 要：孔内声波 ct 探测技术在近年来已在工程地质勘探中得到较好应用。介绍了声波法的工作原理、孔内声波 ct 技术系统的测量方式、数据采集和数据预处理以及 ct 正反演的基本方法。以无锡 地区岩体内溶洞调查为实例，阐述了利用该方法探测岩溶发育程度、溶蚀现象发育情况，沿竖向各 切面内孔洞空间布置。结果显示孔内声波 ct 对查明目标体的位置和圈定目标体的形态是有效的。证 明其具有开发潜力和应用前景。关键词：孔内声波 ct；声波成析成像；数值模拟；地下溶洞中图分类号：p631.5文献标识码：a文章编号：10000844(2011)增刊33505technology of borehole sonic computer tomography and itsapplicationon survey of underground cavewang qian-nian， che ai-lan， guo qiang， yu kai(school of naval architecture, ocean and civil engineering shanghai jiao tong university, shanghai 200240，china)abstract: the borehole sonic tomography exploring technique has been applied in engineering geological exploration in recent years. the basic principle of the borehole sonic tomography technique, the measurement system, the data preprocessing method and the basic method of sonic speed tomography are introduced.taking the survey of underground cave in wuxi area as example.it is described that how to use this technique for surveying the spatial distribution shape and corrosion situation of the caverns in detail. it is indicated that the technology of borehole sonic computer tomography is an effective method used on survey of underground cave and also has great potential of development.key words: borehole sonic computer tomography; sonic speed tomography; numerical simulation; undergroundcave0引言无锡地区碳酸盐岩地层分布广泛，石炭系、二局限性。物探方法则是利用岩溶处的物性参数变化，通过在洞、孔及其它工作面之间或地面进行勘探， 从而了解地下岩溶分布情况1。由于某些溶洞处的 物理特性和岩石的物理特性相差不大，所以应用也 存在局限性。地质勘探中的 ct 层析成像技术大约在 80 年代 中期起步，最初在石油勘探中开发应用，并获得了 较好的应用效果。目前常用的有弹性波 ct、电磁 波 ct、声波 ct 三种。地下声波法是一种新的地下 物探方法，依据声波在不同介质中传播速度的差异， 将接收到的信号进行层析成像处理，来精确描述井 间目标体的几何形态和物理特征。与其它地下物探 方法相比，它具有独特的优势和作用：分辨能力 强，当精细测量时，其空间分辨可在 2 m 之内； 具有记录直达波的观测系统，能在更大程度上利用叠系、三叠系、均有灰岩分布。在构造断裂的影响下，受地下水的溶蚀，溶洞特别发育。在溶洞地区 进行工程建设，不可避免会遇到溶洞引起的地质灾 害问题，其中溶洞塌陷是最常见的地质灾害。因此 在溶洞发育地区，如何采用合适的、先进的勘察方 法，查明建设工地溶洞发育情况，对加快施工进度， 节约工程投资，确保工程安全具有极其重大意义。通常查明岩溶问题的方法主要有：地质勘探、 连通试验和物探。其中，地质勘探采取地质测绘、 钻孔、平硐等手段，以查明勘探点和勘探剖面处岩 溶的存在性、空间位置及局部连通性等基本特征。 但由于岩溶问题的复杂性，常规的勘查方法均存在收稿日期：2011-04-25波动力学特征进行解释，从而更灵敏地反映出非均匀地质体；采用透射波传播特征，波形单纯，初 至清晰，易于波形识别；声波法利用弹性波波场 特性，获得的弹性波速度参数可直接作为工程设计 依据。目前通过大量的现场试验配套形成了可以兼顾传播距离与检测分辨率的声波 ct 测试系统，测试 系统由智能工程探测声波仪、超声波激发器、集成 高灵敏度检波器、同步外触发器、大功率超声波换能器组成，试验了孔间定点扇形测量组合工作方法。在理论研究方面，从声波层析正演理论入手，研究 了最短路径射线追踪算法的正演分析方法，对典型 模型进行了层析正反演研究，并配合数值模拟方法 系统论证理论模型解析效果与成像要素的关系，奠 定了孔间声波 ct 方法技术的理论基础。1(1) =dl = fj ( x, y)dlili v j ( x, y)li式中v ( x, y) 为第 j 个成像单元的波速；f ( x, y) 为第jjj 个成像单元的波慢，即波速的倒数。假定成像单元足够小，可将每个单元的 f j ( x, y)视为常数，则式(2)可写成如下级数形式：m i = aij fj式中 a 为第 i 条射线在第 j 个成像单元内的线段长ij度。从数学角度看，式(3)实际上是一个线性方程 组：1 = a11f1 + a12f2 + + a1mfm2 = a21f1 + a 22f2 + + a 2mfmj =1(2)n = a n1f1 + a n2f2 + + a nmfm1 ct 扫描原理及分析方法1.1 ct 原理ct (computerized tomography) 计算机层析成 像是一种在不破坏介质结构的前提下，根据介质周 边所获取的某种物理量(如波速、x 线光强、电子束 强等)的投影数据，运用一定的数学方法，通过计算 机处理，重建介质特定层面上的二维图像以及依据 一系列上述二维图像构成三维图像的技术。声波 ct 是用声波波速对被检测对象具体部位 一定厚度的层面进行扫描，由换能器接收透过该层 面的声波，经模拟/数字转换器转为数字，输入计算 机处理。图像形成的处理有如将选定层面分成若干 个体积相同的长方体称之为体素。扫描所得信息经 计算而获得某个体素的声波衰减系数或波速，再排 列成矩阵，即数字矩阵。经数字/模拟转换器把数字 矩阵中的某个数位转为由红到蓝不等颜色的小方 块，即像素，并按矩阵排列，即构成 ct 图像2。radon 变换是 ct 技术的主要理论基础。1917年，数学家 radon 证明，已知所有入射角 的投影 函数 u(p,)可以恢复唯一的图像函数 f(x,y)。以此为 基础发展起来了层析成像技术。(3)式 (3) 的求 解是根据 射线走时 ，寻求使 = afe取得最小值的向量 f。22图 1 层析成像射线追踪示意图fig.1 sketch of radial track in computer tomography.但方程(3)不宜使用求解线性问题的算法，可以采用如下的数值近似解法：从每条波线的传播波形 可以测定纵波的传播时间 ti ，由此可以得到每条波 线的平均速度vi ，对各波线通过区段的长度进行加权平均，便可求出第 j 个区段的速度值v j ：1.2数据分析方法假设测区共有 n 条测线通过，将测区划分成 pq= m 个网格(见图 1)。li 为第 i 条测线 (发射换能 器 t 到接收换能器 r 之间的直线距离)，si 为 li 从 激发点到接收点的走时，由 randon 公式v = ij lit(4)i增刊王千年等:孔内声波 ct 技术在软土地区地下溶洞调查中的应用337而在另一孔中接收声波信息。每次按照设计点距移动。发射探头激发时，接收探头或接收串装置在钻 孔中从下至上移动，对孔间地层进行声波扫描的方 式有水平同步扫描、斜同步扫描、定点发射扇形接 收扫描等。图 3 为场地两钻孔 g3、g6 间，深度 3764 m 范围内布置发射器及检波器布置，激发点及检波 器的间隔均为 3 m。共采集数据 9 组，每组 9 个波 形，共计 81 个波形数据。= lijvivj lij(5)式中 lij 为第 i 条波线通过第 j 区段的长度； ti 为第i 条波线的传播时间。根据各个小区段内得到的计算值，通过以不同 的线条来表示不同的声波速值大小，就可以得到被测截面的超声波 ct 图像，由各个不同截面的 ct图像就可以获得剖面缺陷的整个空间分布3。2现场数据采集2.1数据采集系统孔间声波 ct 数据采集仪器的探测系统由发射 机和接收机组成。发射机是一个大功率的电火花震 源，它由储能电容器、高压放电开关、高压变压器、 控制器、放电电缆、放电电极组成。电火花震源的 震动是通过储存在电容器上的能量通过电极瞬间放 电产生的。接收机是由笔记本计算机采集仪、电缆 绞车和下井换能器组成。系统的同步是由发射系统 的电容器放电瞬间产生的感应信号传送至接收系统 的，利用智能工程探测声波仪器对信号进行分析处 理。系统的技术指标如下：发射机功耗为 1.5 w(整 机电流小于 250 ma)，发射子波频率为 0-2 khz，触 发方式为通道触发；系统最小分辩时间 500 ns，幅 度分辩 16 bit，记录长度 32 k，最大增益 112 db， 采样频率 110 ms，测量精度为 14 位。最大量程 5v，发射、 同步接收、量程等参数调节、数据传输 等全部由便携式计算机通过并行口对主机实施控制（图 2）。图 3 孔内声波 ct 测点布置图fig.3 arrangement of measure points of borehole sonic tomography.33.1数据分析结果声时分析结果从采集到的波形数据中首先通过滤波处理提高信噪比，读取首波起跳以获取到达走时的特征点，声波走时介质速度的分布关系，可用如下方程表示：d x(i = 1,2,3, n )t =(6)r (t ) v (x)i式中 t 为走时(即声波由发射到接收所需的时间)；v(x)是介质的速度分布 r(t)为射线的路径；dx 为射线 穿越子区域的长度。可以看出，当介质中的声波速度发生变化时，其走时也随着发生改变。将多条通过介质的声波射线走时提取出来，反算出介质的纵 波速度空间分布图像（图 4）。可以简单的推断出以 下结论：土岩结合面在深度 4550 m 处，岩层内存 在局部低速区域，分析可能是由于此深度存在溶洞，图 2 孔内工程声波探测系统fig.2 detection system of borehole sonic tomography.2.2现场数据采集及测线布置孔间声波 ct 测量是在某一钻孔中激发声波，而使得波速减小。土层低 速 区岩层图 5 剖面波速分布图fig.5 distribution of p-wave velocity on the cross-section.3.3数值分析方法评价结果根据计算出的剖面平均波速分布及钻孔资料， 建立测试剖面的地质分布及溶洞分布的二维有限元 模型（图 6）；发射脉冲波形，根据接受点的走时状 况及现场孔间声波 ct 探测数据的误差反演测试剖 面的岩溶发育程度、溶蚀现象发育情况，沿竖向各 切面内孔洞空间位置等，如图 7 所示（图中的等高 线代表纵波速度的数值）。半填充溶洞纵波速度值 为：1 5002 400 m/s；粘土纵波速度值为：2 4002 800 m/s；较破碎的石灰岩为 2 8003 400 m/s，较图 4 纵波速度空间分布图fig.4 spatial distribution of p-wave velocity.3.2ct 层析成像分析结果当钻孔间存在一定规模的非均匀体时，由于透 射和绕射，会使得声波的走时相对于在纯围岩中增 加或减少，考虑绕射波和透射波在声波解释中的重 用，考虑以下方程5：透射波走时方程t = 1 (l 2r) + 2r(7)1vv完整的石灰岩纵波速度值为：3 800 m/s，完3 4001绕射波走时方程整的石灰岩纵波速度值为：3 8004 200 m/s。2 (l i ) r 2(l i )2 r 2 + r 22t = 1 i 2 r 2 +i r1+ cos 1cos2v 180 il i(8)其中中心到发射点的距离为 i；孔间距为 l；球体的 波速度为 v1；围岩的波速度为 v0。通过二维最短路 径最小走时法射线追踪确定模型旅行时和雅可比矩 阵的正演模拟及最小二乘共轭梯度法 lsqr 算法的 反演计算，由走时数据反演井间声波速度的分布。 图 5 是平均波速法中对每个网格区域内的波速进行 加权处理，根据各个小区段内得到的计算值，通过 以不同的线条、颜色来转绘成纵波速度等高线图(单 位：m/ s)。土层溶洞岩层图 6 剖面二维有限元模型fig.6 2-d fem model o