跨孔地震CT在井间岩溶勘察中的应用.doc

跨孔地震在井间岩溶勘察中的应用CT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)Applications of Cross-hole Seismic CT Technique inInvestigation of Karst at Cross-well SectionZhang LianweiTang XiaomouZhou Haibin摘 要 对井孔间岩溶发育地区采用跨孔地震 CT 技术，记录地震波射线穿透地质体的走动能量变化，将观测到的数据信息经过计算机处理反演，重现地质体内部的结构图像，全面清晰了岩溶及裂隙发育的空间位置和影响范围。地震 CT 反演结果具有较高的精度和可信度，对钻域补充了关键性的地质资料。关键词 跨孔地震 CT岩溶 桩基础 反演中图分类号:文献标识码:P631. 4A震波传播路径叠加后成像，这种方法类方法。可成功用于岩石( 或砾石、沙层) )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。1土) 等各种地层。依据波在不同介质中传异，将接收到的信号转化成波速进行 CT精确描述井间地质目标体的几何形态和物走时与介质速度的分布关系可用如下方程 dl R( )t =iVv( x)式中: V( x) 是介质的速度分布，R( v) 是依赖的射线路经。由上式可见，当介质的地震波速度发走时也随着发生改变。将多条通过介质的走时提取出来，反算出介质的地震波速度介质的地震波速度空间分布图像。跨孔地震 CT 原理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22. 2层析成像技术地震 CT 的核心技术是地震波射线追2. 1析成像反演算法，目前国内外应用广泛且是基于惠更斯原理和网络理论的最短路径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( SPR) 和联合迭代重建技术( SIRT 算法)精度弯曲射线 CT。国内外多数井间地震软件均采用以上算法，通过求解大型的、稀收稿日期: 2011 02 14第一作者简介: 张连伟( 1979) ，男，2002 年毕业于中南大学应用地球定线性方程组，进行递归迭代反演，从而得CT 反演 根据初始速度模型和初至时间 应用外业数据采集及资料处理3CT 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。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。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。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. 13. 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) 。应用实例分析4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 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。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跨孔弹性波波速 / ( m / s)物探分区钻孔岩芯特征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。抽道集: 将每对跨孔 CT 的全部原始数据重排钻探中岩芯完整，呈长柱状，短柱状，无溶洞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) 的小溶洞钻探中见规模较大的溶洞或串珠状的溶洞， 多为泥充填基岩面以上的区域，饱和含水，部分可能存 在有孤立的风化残余岩块完整灰岩4 500溶蚀裂隙发育区2 500 4 500成共激发点道集。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。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。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。初始速度模型预测: 按钻孔情况和射线平均波岩溶1 500 2 500覆盖层2 500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地震 CT 反演结果吻合，充分说明岩溶及裂隙发育在图 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CT 反演解释剖面图中准确地判断波速异质体类别，从而提高成果解释精度，提供可理及地质信息。结束语5采用跨孔地震 CT 技术，有效利用钻的观测系统，正确合理的处理和解译资料济南地区岩溶发育规律探讨韩兴广( 铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251)Exploration for Development Law of Karst around Jinan AreaHan Xingguang摘 要 结合济南地区铁路工程岩溶勘察成果，通过与施工过程中揭露情况的对比，简要介绍了本区岩溶发育的一般规律，对济南地区的铁路工程勘察具有一定的启发和借鉴意义。关键词 岩溶 岩溶发育规律 地质勘察中图分类号:文献标识码:P642. 25B济南市区南部玉符河特大桥( 中心里程 DK418 +458. 12) ，小里程为罗而庄特大桥，大里程为路基，接 西渴马 1 号隧道。玉符河特大桥工程地质纵断面( 局 部) 如图 1 所示。桥址区钻探深度内灰岩发育大量溶洞、溶隙及溶 槽，溶洞直径溶槽宽度一般在 0. 1 8. 4 m 之间。大部 分溶洞及溶槽为全充填式，充填物为棕黄色、棕红色黏 土，坚硬软塑，含灰岩碎块及半壁状灰岩; 少量溶洞 充填碎石土，棕红色，中密，潮湿，碎石成分为灰岩，充 填黏土; 其余溶洞无填充或部分填充，空洞最大竖向发 育深度为 9. 9 m。岩溶发育深度为基岩面以下 30 40 m，层底高程 25 30 m，DK417 + 920 DK418 + 200 段 灰岩溶蚀较深，溶蚀面层底高程 10 m 左右。溶蚀面以概述岩溶( 又称喀斯特) 是指水( 地表水、地下水) 对可 溶性岩层的化学作用和物理作用，以及这些地质作用 所产生地质现象的总称。可溶性岩石按化学成分和矿 物成分可分为三种类型: 碳酸盐类岩石( 石灰岩、白云 岩等) 、硫酸盐类岩石( 石膏、芒硝等) 、卤盐类岩石( 石 盐、钾盐等) ，在铁路工程中比较常见的是碳酸盐类岩 石。本文以济南地区地质勘察和施工过程中的一些工 程实例，叙述了本地区岩溶发育的特点，对今后加深岩 溶形态以及发育规律的认识都有很大帮助。1岩溶勘察2玉符河特大桥地质勘察2. 1下岩石完整坚硬，少见溶蚀现象。部分溶洞通过溶孔、溶隙连通或直接连通，整体上看桥址区岩溶中等发育。收稿日期: 2011 01 21作者简介: 韩兴广( 1979) ，男，2005 年毕业于吉林大学建设工程学院岩土工程专业，工学硕士，工程师。按照铁路工程地质勘察规范要求，对大部分桥墩均进行了逐桩钻探。櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆点带面的地质信息。通过本次在长昆线大量的工作试5周海滨，李志华 困难条件地形下地震反射在煤矿采空区的技术研究J 铁道工程学报，2010( 2)侯 勇，王蓉川 岩溶地区桩基础施工J 铁道工程学报，2010( 3)瞿 辰，杨文采 于常青 高分辨率过井地震层析成像的级联算法 及其应用J 物探与化探，2010( 5)张旻舳，师学明 电磁波层析成像技术进展J 工程地球物理学 报，2009( 2)张连伟，郝 明，童孝忠 Matlab 工具箱在大地电磁测深二维正演 中的应用J 铁道勘察，2007( 1)谭衢霖，魏庆朝，杨松林，等 铁路工