跨孔地震CT技术在地下岩溶等目标探测中的开发应用研究_张苑辉.pdf

跨孔地震C T技术在地下岩溶等目标探测中的开发应用研究张苑辉 李蓝萍 黄学荣(广东省工程勘察院 广东省 广州市 5 1 0 5 1 0)作者简介张苑辉(1 9 8 9年),男,汉族,广东梅州人,本科,物探及遥感助理工程师,毕业于长沙理工大学,主要从事物探及遥感类工程物探外业和报告编写。摘 要 跨孔地震C T技术在现代工程探测领域取得广泛的应用,文章以此为基本对象,探讨其在地下岩溶等目标探测中的具体应用要点,明确测点最佳密度、最佳孔距、图像分析识别等方面的关键内容,以强化对跨孔地震C T技术的认识,同时对其应用效果做出系统性的评价,明确其可行性。关键词 地下岩溶;目标探测;跨孔地震C T技术 1.跨孔地震C T技术概述跨孔地震C T技术是一项具有高精度特征的探测技术形式,在长期的发展下,其技术原理逐步扎实、应用经验日益丰富,能够全方位完成目标探测作业,结果的可信度较高,富有参考价值。并且,相比于电磁波类方法,跨孔地震C T技术的结果是在地下介质弹性波速度的空间分布,其与力学性质具有更加紧密的联系,更有利于工程技术人员掌握探测区异常体的特征,例如其分布位置、形态、大小,以便准确判断异常体的性质,给后续工作的规划与开展提供重要的信息支持。通过与传统地面地震探测技术的对比分析可以发现,跨孔地震C T技术的信息具有更高的分辨率和信噪比,其优势则是更加全面地呈现出地震波在动力学和运动学方面的特征。并且,经过对地震资料的处理,可根据其中的信息生成速度模型,工程人员可精准识别地层中的速度异常区域,在条件良好时还可对地质层位进行标定,加深对现场岩性的认识。跨孔地震C T技术的探测精度较高,适用范围较广1,若将其用于岩溶探测场景中,可测定弹性纵波速差异,并对速度色谱做地质解析,根据探测揭示的信息更加准确地界定探测区的具体地质条件,例如基岩面、溶洞及裂隙发育范围,由此合理规划钻、挖、冲孔灌注桩桩端持力层的具体布置位置,于指定区域开展相应的建设工作。跨孔地震C T技术在岩溶勘察领域已经取得突出的应用成果,实践经验表明,其能够克服传统方法在应用中的弊端。跨孔地震C T技术的适用性较强:可用于探测矿区采空区、埋设物、空洞等;查明特定范围内的地下构造、渗透带、水流通道等,界定破碎带的位置以及其覆盖的范围;探测桩基的施工质量,检查水库、坝基是否有渗漏;探明现场的不良地质体,作为水电站等相关项目选址的重要参考。当然,在跨孔地震C T技术的应用中仍存在诸多重难点内容,具体体现在探测结果的合理解释、测点最佳密度的选择等方面。随着社会经济的发展,建筑建设规模扩大,所遇地质条件复杂,可能会在岩溶发育区开展建设工作,而此类地区的地质特殊,分布溶洞、溶蚀裂缝等,若采用传统的地质钻探方法,受钻孔数量的限制,难以全面反映现场的溶洞分布特征,同时无法得知钻孔周边的情况,例如究竟是否存在溶洞则难以判断。此外,地面工程物探的方法对现场实际状况的揭示程度有限,仅能够提供有关于岩溶发育平面、埋深的基础信息,对于具体的形态以及垂向发育深度并不能提供相关的信息。在岩溶地区建设建筑且尤其是大规模的建筑时,对基础的要求较高,为此通常在桩端设合适厚度的基础,作为持力层,但如果仅采用地质钻探、物探等常规方法,此时获得的勘察结果缺乏足够的全面性,桩端支承位置不准确,例如支承在溶洞处,难以保证桩端乃至建筑整体的稳定性。采用跨孔地震C T技术后,可以提高对岩溶的勘察水平,有效弥补传统方式的不足,信息的全面性和准确性得到保证。2.跨孔地震C T技术的应用原理在跨孔地震C T技术的应用中,向设置成型的孔内施加瞬时激振力,由于外力的作用,岩、土等相关介质发生弹性形变,并伴有弹性波传播的现象,形成纵波传播;对于横向则有横波,伴有剪切形变。弹性波依托介质发生传播,联合应用接收换能器、检波器及信号记录处理系统,接收弹性波信号并针对其做深入的分析。在收集到弹性波信号后,生成跨孔地震C T层析成像剖面图,作为重要的参考。对比分析各部位接收的地震波速差异,判断场地内溶洞、土洞的具体情况,例如所处位置、发育规模、埋深。弹性波C T可细分为两种方法,即地震波C T和超声波C T,但各自的成像原理基本相同。031DOI:10.16631/15-1331/p.2022.06.040基于扇形测试的途径确定首波走时数据(t i),求解矩阵方程,明确两孔间的速度剖面图像,从中确定隐患的具体大小。整个流程操作简单、清晰明了,能够高效完成。假定成像剖面内有N条射线,将剖面做网格化细分处理,得到M个单元(具体的划分量主要根据测试精度而定),从而转化为求解如下方程的问题:式中:lNM为第n条射线在第M个单元内的路径长度;SM为第M个单元的慢度值;tN为第N条射线的走时值。3.跨孔地震C T技术应用中拟解决的问题3.1探测结果的解释。经过整个探测流程后,将产生丰富的探测数据,并且异常区域有其明显的复杂性特征,因此在确定探测结果后如何有效地解释至关重要。虽然已经配套相应的软件,但场地条件不尽相同,仍需要注重异常范围的界定与分析,其无疑是亟需探索的问题。3.2最佳孔距的设定。从两个角度来看:若孔距偏大将降低探测精度;若孔距偏小可在一定程度上提高探测精度,但其存在周期延长、成本增加的局限性。因此,需遵循适中的原则,将孔距控制在合理的区间内。3.3测点最佳密度的设定。类似于最佳孔距的设定思路,不可过密或过疏松。根据规律,测点总数是单孔中点数的平方,由此可以得知,测点密度的变化将产生不同的探测效果,并且对应的探测费用也随之改变。3.4仪器的配置。以检波器为例,于何处将其布置到位则较为关键。此外,还需考虑到震源能量、频率几项关键参数的设定。4.工程实测数据的分析及比对考虑1处土洞、2处灰岩溶洞,共确定3个目标区,组织实验,并进行对比分析。4.1土洞目标位于某商住项目施工区,根据钻探结果得知,施工范围内存在多处土洞,各自在深度、尺寸方面不尽相同。为此,取其中某钻探发现的土洞作为目标,布置1 2对探测剖面。并且,深度为1 01 6 m内时存在土洞。具体探测情况如图1所示。4.2溶洞目标位于待建工程场地,根据钻孔结果,取其发现的2处灰岩溶洞视为实验目标,各自分别对应6对探测剖面,根据两处的钻孔资料能够得知,在深度1 01 7 m的范围内分布有溶洞。图1 土洞探测孔分布图土洞探测环节,孔距91 6 m不等。跨孔地震C T的 波 速 分 情 况 考 虑,溶 洞 或 土 层 内 为1 0 0 01 3 0 0 m s,强风化砂岩段为1 3 0 02 5 0 0 m s,由于各自在探测范围和精度方面不尽相同,使得各自的结果也有所差异。根据规律,对于小溶洞和溶蚀裂隙,若孔旁基岩呈完整状态,波速不一定低;若为完整基岩,此时孔旁有较大溶洞或呈破碎状态时,波速可能保持在相对较低的区间内;对于钻探揭露为串珠状溶洞的,此时的波速往往对应较大的低速区。围绕剖面野外实测结果展开分析,初步掌握土洞在位置、埋深、规模等方面的实际情况以及岩溶裂隙发育等情况。在钻孔口径范围内可取得相对较高的勘探精度。紧密结合钻孔资料对其展开分析,可以发现:测区中心在69 m、1 31 5 m和3 33 6 m分布有土洞,并且此部分伴有水溢出的现象,但无法得知孔旁的实际状况。跨孔弹性波C T的应用建立在地震数据的基础上,应用层析成像的方法对数据加以处理,重建速度分布图像,可以发现的是,土洞主要分布在61 0 m、1 21 7 m和3 23 7 m处,而通过探测结果与钻孔资料的对比分析可以发现,两者一致。从探测精度的角度来看,具有跨孔C T技术低于钻探方法的特点,但跨孔C T技术对信息的采集与呈现能力更强,可反映激发孔至接收孔与测试段圈定范围的地质信息,还覆盖到各钻孔资料,此方面的优势是钻芯方法无法比拟的。而在确定多个跨孔C T剖面图后,对其做系统性的分析,可以掌握目标的三维分布状况。5.一般性成果5.1探测结果的合理解释5.1.1在跨孔地震C T技术的应用中,其识别主要根据介质波速的差异化而实现,但地下介质的状况错综复杂,各部分均有独立性,因此虽然波速差异大的区域极有可能存在异常状况,但不可贸然将其判断131 地球物理、地球化学为不密实异常区或是洞穴类,否则将丧失结果的准确性。5.1.2通常声波在不同介质中的波速有所不同,例如在空气中、水中、土中则存在差异,介质的复杂性特征较为突出,并且由于探测中点距的有限性,导致即便是不同类型的介质,各自对应的波束也有可能在某些部分存在相似之处,即有重叠的现象。为了更为准确地分析,宜辅以钻芯的方法,做验证对比,获得更加准确的结果。5.1.3异常目标为溶洞时,其与围岩的波束存在明显的差异,根据此特点,可以较为准确地界定溶洞边界,此时的界定结果准确可靠;异常目标为土洞时,其和洞周土的波速虽然存在差异但不显著,并且此差异将随着土洞填充程度的加深而减小,因此难以确定清晰的波速边界,此时可能会影响到土洞边界划分结果的准确性,在划分时掺杂着较多的主观因素。5.2最佳孔距的设定孔距的减小会带来探测精度的提高,但对应的探测时间延长,探测所需的成本增加,因此存在一定的矛盾性。此外,在跨孔探测中,激振信号能量有限,以提高激振能量的途径来加强发射信号强度缺乏足够的可行性,从这一层面来看,为了保证信号的有效性,不宜采取大孔距的方式,且随着孔距的增加,将导致探测精度降低,此时一条声波射线穿越的异常区域的数量增多,随之加大异常区域的区分难度。结合本项目的分析结果,认为:在土洞探测环节,孔距以1 02 0 m较为合适;对于岩石溶洞的探测可适当扩宽其范围,以1 03 0 m为宜。在有效控制孔距后可保证信号数据的有效性。在探测精度存在变化时可以灵活地对孔距加以调整,以此适应具体的探测要求。若现场场地条件限制性较强,可适当对前述提及的孔距做合理的调整,此时土洞探测孔距可增加至2 0 m以上,但不宜超过3 0 m,否则难以保证结果的准确性;对于岩石溶洞的探测,可将孔距增加至3 0 m以上,但不宜超过4 0 m。5.3最佳点距的设定测线总数和单孔中点数的平方呈正相关的变化规律,从这一角度来看,随着测点密度的改变,探测效果随之发生变化,且在探测方面的成本投入也不尽相同。仪器自身的水听器链上配套了探头,其间距控制在0.5 m,此方式可满足绝大部分的探测要求,无论是探测精度还是整体探测效果均较佳。针对孔距、孔深均较大的探测场景,此时的传感器可按1 m点距的方式有序布置到位,而对于存在较高探测精度要求的,可适当减小传感器的间距,以此来保证探测精度。6.讨论根据跨孔地震C T层析成像结果可以得知,探测产生的原始数据重复性好、信噪比高,数据具有重要的参考价值,达到预期要求。6.1测线的波速影像剖面图具有重要的参考价值,可据此判断工期内的土洞状况,对其具体的规模形成认识。6.2综合对比分析各实测剖面的信息,从中确定合适的观测系统,在此基础上高效开展测试工作。此外,还能够给室内资料处理提供重要的依据。6.3对于地下1 0 m以上部位(浅表地段),其容易受到松散土层的影响,对于地震波而言则呈现出能量显著衰减的变化,并且在临近地表处地震波基本处于失真的状态,初至起跳时间难以判读,虽然此时依然能够接收信号但其价值有限,无法用于实测。从这一层面来看,跨孔地震C T层析成像勘探有其特定的有效范围,即围岩及密实状的土层段。6.4跨孔地震C T层析成像极具重要性,尤其是针对围岩与周边不良地质速度差异较大的情况,可以取得较好的应用效果。具体在本次测试中,现场为强风化砂岩段,从波速的角度来看,充填的溶洞、土洞的波速与之无明显的差异,且由于部分区域高度接近,溶洞、土洞的边界形状较好,因此解释的溶洞、土洞内可能包含局部软弱夹层,在对界面做划分处理时,所得结果可能存在一定的误差。但总体来看,跨孔地震C T层析成像方法的综合应用效果突出,其具有较高的勘探精度,产生的信息丰富且富有参考价值,结果直观可靠,能够帮助工程人员掌握现场的地质特性,以便更为合理地开展后续的工作。7.结语综上所述,跨孔地震C T技术是一种有别于传统地震勘测的技术形式,