地球物理測井在福州地鐵2號線勘察中的應(yīng)用

■楊文明

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州　350004）

地球物理測井在福州地鐵2號線勘察中的應(yīng)用

■楊文明

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州350004）

地球物理測井是在地鐵勘察中配合鉆探及土工試驗(yàn)劃分地層，確定地層物理特性的有效手段。本文結(jié)合福州地鐵2號線勘察，列舉了剪切波測井、電阻率測井、井溫測井、自然伽馬測井四種方法的基本原理、使用方式、成果處理及效果。

測井地鐵勘察剪切波電阻率井溫自然伽馬

0　概述

福州市位于福建省東南沿海，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，城市交通壓力大，在建的地鐵1號線南北方向貫穿城區(qū)，擬建控制性的福州地鐵2號線與1號線相交，近于西北至東南方向，沿線場地地貌單元主要為沖、淤積平原地貌，工程地質(zhì)分區(qū)屬沖、淤積區(qū)，存在較厚的軟土淤泥及砂層，局部還存在卵石層，因而勘察要求較高，需要多種勘察手段配合完成。筆者在福州地鐵2號線勘察中采用地球物理綜合測井方式并取得了良好的效果。

下面按采用測井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)分述如下：

1　剪切波測井

其主要目的是配合鉆探劃分場地土類型和類別。

剪切波測井常規(guī)是采用單孔檢層法（扣板法）：即利用放置到鉆孔中的傳感器接收由地面敲擊扣板產(chǎn)生的P、S波信號到達(dá)時間（初至），來確定鉆孔所處地層波速的一種方法。該方法需配備地面振源，受場地條件限制，在城市堅(jiān)硬地面（水泥地面、公路等）、水上和水田內(nèi)開展工作有一定難度；測試較深鉆孔時，由于波傳播距離長，信號衰減嚴(yán)重，有時多次疊加也難以取得滿意的測試結(jié)果；由于施工場地干擾較多，使得波形復(fù)雜，對非專業(yè)技術(shù)人員來說，資料處理工作有一定的難度。為降低上述環(huán)境干擾，本工程的剪切波測井采用XG—I懸掛式波速測井系統(tǒng)，如 圖1所示。

懸掛式波速測井方式所測波速對應(yīng)于兩道接收檢波器（相距1m）所在的平均深度，儀器的工作過程如下：將震源和接收檢波器置于鉆孔中，以井液作為耦合劑，用電磁震源垂直于井壁作用一瞬時沖擊力，經(jīng)過井液耦合，此時在井壁地層中產(chǎn)生兩種類型質(zhì)點(diǎn)振動，一種是質(zhì)點(diǎn)振動方向垂直于井壁，沿井壁方向傳播，稱為剪切波 （橫波）；另一種是質(zhì)點(diǎn)振動方向與傳播方向相同，稱為壓縮波（縱波），位于震源下方的兩個相距1m的檢波器接收沿井壁地層傳播的剪切波信號并轉(zhuǎn)換成電信號，主機(jī)對信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后采用兩道互相關(guān)分析方法，自動判讀剪切波在兩道檢波器間傳播的時間差，從而計(jì)算出兩道間的剪切波傳播速度。同時原始波形圖及自動計(jì)算的結(jié)果顯示在微機(jī)顯示屏上［1］，如圖2所示。

圖1 XG—I懸掛式波速測井系統(tǒng)

圖2　試驗(yàn)孔現(xiàn)場波速測試結(jié)果

懸掛式波速測井由于震源靠近接收檢波器，信號較強(qiáng)，可有效地壓制其它干擾波，采用一發(fā)兩收裝置，避免了震源——儀器系統(tǒng)的延時引起的波速計(jì)算誤差，提高了波速測試的精度。

表1為本工程各土層的剪切波速統(tǒng)計(jì)表，表2及表3為部分鉆孔分別按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)判斷的場地類別。

表1　各巖土層剪切波速表

表2　部分鉆孔場地類別判定表（《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》）

表3　部分鉆孔建筑場地類別判定表（《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》）

2　電阻率測井、井溫測井、自然伽馬測井

這三種測井方式采用JGS-1B智能工程測井系統(tǒng)，其系統(tǒng)構(gòu)成及連接示意圖如圖3所示。

JGS-1B綜合數(shù)字測井系統(tǒng)由測井主機(jī)、手搖絞車、探管、電腦連線組成。各部分作用如下：

測井主機(jī)：提供井下探管的工作電流，記錄和處理測井的深度信號及探管的測量信號。

圖3　JGS-1B智能工程測井系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

探管：測量地層的物性參數(shù)并將其轉(zhuǎn)化為電信號。手搖絞車：控制絞車做測井探管的下降和提升。

筆記本電腦：用作測井參數(shù)的設(shè)置和測井曲線的實(shí)時顯示及后續(xù)的各種曲線處理。

2.1電阻率測井

其目的是測定地層的視電阻率，為供電等專業(yè)提供設(shè)計(jì)依據(jù)，同時視電阻率也是判定土體對金屬腐蝕性的輔助參數(shù)。

廣義的電阻率測井是指以巖石、礦石電性為基礎(chǔ)的一組測井方法，包括視電阻率測井、微電極測井、側(cè)向測井等測井方法。本工程采用的測井方式為普通電阻率測井中的倒裝電位電極系，示意圖見圖4。視電阻率：

圖4　倒裝電位電極系

當(dāng)MN→∞，AN→∞，則可看做AN=MN，且VN=0，ΔVMN=VM-VN=VM

所以

AM、I一定后，Ra與M的電位VM成正比，因此該電極系稱為電位電極系。

值得注意的是：在實(shí)際測量中M與N的距離不可能為無窮大，但如果MN/AM≥19時，這樣的電極系與理想電位電極系之間的誤差小于5%，仍可近似看做理想電位電極系［2］。

2.2井溫測井

其目的是提供地鐵設(shè)計(jì)時結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力、暖通設(shè)計(jì)等所需的溫度參數(shù)。

井溫測井采用電阻式溫度儀，其傳感器為鉑金屬熱敏電阻，它由于其物理、化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，其線性度最好，能把溫度變化引起的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出。

式中，K為儀器常數(shù)，表示電阻每變化一個單位時，溫度的變化值。測出的曲線也叫梯度井溫曲線，即溫度隨深度的變化曲線。

本次采用的電阻式溫度計(jì)所測溫度的絕對精度為

0.2℃，分辨率高，完全滿足規(guī)范0.5℃的要求。

2.3自然伽馬測井

其目的是測定地層的天然放射性輻射參數(shù)。

自然伽馬測井原理如圖5所示，其測量過程如下：

圖5　自然伽馬測井原理圖

圖6　鉆孔MBZ2-A11綜合測井成果曲線

（1）γ射線探測器探測到地層的γ射線，并將γ射線變換成電脈沖信號 （每一道γ射線變換成一個負(fù)脈沖信號）。

（2）此脈沖信號送入井下放大器進(jìn)行放大。

（3）井下放大器放大的脈沖信號送入地面的放大器再進(jìn)行放大 （原因是脈沖信號通過電纜之后會有些衰減）。

（4）由于脈沖信號中混合一些干擾信號，需經(jīng)過鑒別器進(jìn)行鑒別，排除干擾。

（5）將一些畸變的脈沖信號送入整形器進(jìn)行整形。

（6）歸一化的波形送入計(jì)數(shù)電路記錄單位時間內(nèi)脈沖個數(shù)。

本工程采用二級刻度的R411自然伽馬探管，其探測器為碘化鈉晶體，提供成果的測量單位為API。

JGS-1B智能工程測井系統(tǒng)采集的原始曲線數(shù)據(jù)經(jīng)記錄點(diǎn)對齊 （將所測參數(shù)的記錄點(diǎn)位置由參考深度移到真實(shí)深度）及數(shù)值計(jì)算（通過相應(yīng)探管的標(biāo)定系數(shù)將測井的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)單位的真實(shí)值）兩個主要處理步驟，最終成果以CAD輸出成圖。

圖6為鉆孔MBZ2-A114的綜合測井成果曲線，其中電阻率測井、井溫測井、自然伽馬測井測點(diǎn)距為0.1m，剪切波測井測點(diǎn)距為1m。

由圖6可以看出，井溫曲線變化平緩，其數(shù)值與地層無關(guān)；電阻率、自然伽馬、剪切波速三條曲線的變化趨勢與各地層深度對應(yīng)良好，但由于不同的的測井方式反映不同的地層物性指標(biāo)，其變化趨勢又不盡相同。

3　結(jié)語

（1）地球物理測井在地鐵勘察中是一種有效的勘察手段，可以為設(shè)計(jì)提供可靠的地層物性參數(shù)。

（2）電阻率測井對地層電阻率細(xì)微變化反映敏感，可以輔助鉆探進(jìn)行巖性分層。

（3）地表一定深度范圍內(nèi)土體溫度主要受大氣影響，井溫在地表以下10m范圍內(nèi)受大氣溫度影響較為敏感，因此變化幅度較大，10m以后趨于穩(wěn)定。

（4）由于放射性元素的衰變規(guī)律：同一地層測得的放射性強(qiáng)度不會恒定，在放射性源強(qiáng)度不變、測量條件不變的情況下，在相等的時間間隔內(nèi)，重復(fù)觀測放射性強(qiáng)度，每次記錄的數(shù)值不同，總是在某一數(shù)值（平均值）上下波動，即放射性漲落現(xiàn)象。

［1］梅新忠，王振德，王晨光.工程勘察中懸掛式波速測井方法的應(yīng)用.工程勘察，2006（S1）.

［2］潘和平，馬火林，蔡柏林，等.地球物理測井與井中物探.科學(xué)出版社，2009，4.

［3］GB 50307-2012，城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范［S］.中國計(jì)劃出版社，2012.

圖4　優(yōu)化后的綜合布置三維建模效果圖

圖4中放樣管路數(shù)量少且布置緊湊，整體布局上有條不紊。設(shè)備的操作、維修空間均留出了足夠的距離，且有三個人員通道可以直接到達(dá)任何一臺設(shè)備附近。只在原布置圖上稍做調(diào)整，優(yōu)化后的設(shè)備布置圖卻給管系放樣帶來了相當(dāng)大的自由度，完全解決了圖2中存在的問題。

優(yōu)化機(jī)艙綜合布置是一個反復(fù)調(diào)整的過程，管系放樣與設(shè)備布置需緊密銜接，相互協(xié)調(diào)，發(fā)現(xiàn)問題相互反饋，對可預(yù)見性的隱患及時進(jìn)行清理，使優(yōu)化效果螺旋上升，逐步得到比較合理的布置方案。

5　結(jié)束語

通過對實(shí)船優(yōu)化機(jī)艙綜合布置前后的分析對比，論述了設(shè)備間相互關(guān)系分析對優(yōu)化機(jī)艙綜合布置的影響及優(yōu)化方案的可行性，并取得了良好的實(shí)際效果。機(jī)艙綜合布置不僅受主觀因素影響，而且還隨著船型的變化而變化，但萬變不離其宗，只要掌握相應(yīng)的分析的方法，積累一定的對比分析經(jīng)驗(yàn)，找到便捷、可靠的優(yōu)化方案還是有章可循。

參考文獻(xiàn)

［1］朱樹文.船舶動力裝置原理與設(shè)計(jì).上海交通大學(xué)出版社，1985.

［2］中國船舶工業(yè)總公司.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊（輪機(jī)分冊）.國防工業(yè)出版社，1999.