套管折射波對彈性波CT反演結果的影響探討

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(水利部長江勘測技術研究所，武漢　430011)

1　研究背景

隨著城市地面交通的壓力增大，越來越多的城市都在修建或準備修建地鐵，截至2015年，全國25個城市已經(jīng)開通地鐵，共有38個城市獲批準修建城市地鐵項目。地鐵施工一般采用盾構法技術，在盾構法隧道施工過程中，可能會遇到隨機分布的孤石，孤石不僅會對盾構機的刀盤造成破壞，而且會延誤工期，造成極大的經(jīng)濟損失。在廈門、武漢地鐵盾構施工中都發(fā)生過因孤石造成的工期延誤情況。為了避免這種情況，需要對可能分布孤石的區(qū)域進行沿線的補充勘察，進一步準確掌握孤石的分布情況，然后在盾構掘進前對孤石進行爆破或采取其他處理方式。

目前工程地球物理勘察方法中地質雷達、井中高密度電法、電磁波CT(Computerized Tomography)、彈性波CT等10余種都在孤石勘察中進行過嘗試和應用。其中彈性波CT法可以獲得2孔間地下介質彈性波速度的空間分布，而彈性波在孤石及其周圍介質(土體)中傳播速度有較大差異，故相比于其他方法，彈性波CT法對孤石定位較好，與鉆孔揭露結果較為吻合[1]。

本文根據(jù)武漢機場線軌道交通孤石檢測的工程應用，在彈性波CT法探測孤石取得較好成果的同時，探討沿PVC套管的折射波對數(shù)據(jù)處理成果的影響。

2　彈性波CT技術原理

CT技術又稱為計算機層析成像技術，是電子計算機技術發(fā)展后的一項新興技術，與傳統(tǒng)方法相比，CT技術數(shù)據(jù)量大，結果精確。地球物理領域主要應用為電磁波CT[2]和彈性波CT[3-6]。彈性波CT可分為地震波CT和超聲波CT，二者成像方法原理基本一致，在實際應用中，超聲波CT使用超聲波，頻率高，波長短，分辨率高，適合能量損耗小的介質(水泥，鋼)；地震波CT使用地震波，頻率低，波長長，能量大，傳播距離遠，適合異常規(guī)模大，能量損耗大的介質。鑒于實際情況，本文采用地震波CT方法。

現(xiàn)場工作中，發(fā)射孔與接收孔為位于同一平面的平行孔，震源在發(fā)射孔中按一定間隔距離依次激發(fā)彈性波，在接收孔中通過多道檢波器接收彈性波，在兩邊之間作出大量交叉的彈性波射線，讀取彈性波到達各檢波器的時刻。將每次震源激發(fā)位置，檢波器接收位置及彈性波到達時刻等參數(shù)代入CT反演程序，得到彈性波在發(fā)射孔與接收孔間介質的傳播速度剖面，根據(jù)速度剖面中的異常劃分孤石的位置及規(guī)模。

3　機場線彈性波CT孤石探測簡介

武漢市軌道交通機場線工程起于天河機場T3航站樓，出機場后折向東南沿巨龍大道、盤龍大道、宏圖大道、金銀潭大道走行，止于2號線一期工程起點金銀潭站。線路全長19.53 km，設站7座。據(jù)機場線的初勘、詳勘階段地質資料揭露，該線路府河以北的部分區(qū)段在盾構埋深范圍內分布有粉質黏土夾碎石、碎塊石夾土等地層，其中塊石及碎塊石對盾構施工會帶來不利影響，尤其是當存在塊徑較大的塊石時，會對盾構的正常施工進度產(chǎn)生直接影響。

機場線彈性波CT孤石探測鉆孔沿雙向隧道中心線布置，距離20 m，孔深隨隧道埋深變化，超過隧道底部埋深10 m，彈性波CT剖面布置見圖1。為防止縮孔、塌孔，鉆孔結束后下PVC管。發(fā)射震源采用電火花震源，接收采用雙12道水上漂浮檢波器，主機采用24道地震儀。

圖1　機場線彈性波CT探測孤石剖面布置示意圖Fig.1　Profile of the elastic wave CT detection forboulders

4　折射波識別

本文中折射波(Refracted Wave)與地面折射波法勘探中的折射波略有不同。震源(電火花)在發(fā)射孔中激發(fā)彈性波，彈性波在介質(本文中為粉質黏土)中向接收孔方向傳播。由于接收孔有PVC套管(可視為彈性分界面)護壁，而且彈性波在PVC套管中傳播速度大于在粉質黏土中的傳播速度，當入射角達到臨界角(使透射角為90°)時，見圖2(a)中紅線所示，透射波將沿套管壁滑行，形成滑行波?；胁ㄑ靥坠鼙诟浇袀鞑デ抑辉诳拷?種介質分界面的下介質(套管壁)中存在，由于套管壁厚度遠小于滑行波波長長度，所以滑行波在整個套管壁內進行傳播。當滑行波沿PVC套管壁滑行時，引起套管壁兩側周圍介質質點振動，形成折射波[7]。套管內折射波通過井液傳播到接收檢波器，由于套管半徑遠小于臨界點與接收點處的間距，可以認為折射波波速即為套管壁內滑行波波速。折射波傳播路徑距離雖然大于直達波，但由于在套管段折射波傳播速度較快，所以折射波先于直達波到達接收檢波器。圖2(b)中紅線以上的檢波器先接收到折射波(紅線所示)，后接收到直達波(藍線所示)。

圖2　剖面GP95—GP97實測波形與發(fā)射、接收換能器位置對應示意圖Fig.2　Locations of transmitting and receivingtransducers and corresponding measured waveformsalong section GP95—GP97

現(xiàn)場測試時電火花震源由鉆孔底部開始激發(fā)地震波，并逐步提升到孔口。當震源處于鉆孔下部時經(jīng)常出現(xiàn)折射波，圖2(b)可以看出位于鉆孔上部的5道波形出現(xiàn)了正起跳。如圖2(a)所示鉆孔GP95與鉆孔GP97之間的水平距離20 m，發(fā)射探頭位于鉆孔GP95，接收檢波器位于鉆孔GP97，第1道檢波器位于孔深5 m處，接收檢波器道間距1.0 m，第24道檢波器位于孔深28 m處。由于孔間地層速度不同，隨著發(fā)射探頭的提升，入射角逐漸無法滿足臨界角要求時，折射波逐漸消失。但當發(fā)射探頭在鉆孔上部時，位于鉆孔底部的檢波器并未出現(xiàn)折射波現(xiàn)象。分析其原因可知，隨著介質深度的增加，套管周圍介質波速也相應地增加，與套管波速差別不大，甚至大于套管波速，而無法使入射角滿足臨界角要求，故不存在折射波現(xiàn)象。

折射波的初至起跳為正起跳(本工區(qū)直達波初至起跳為負起跳)，折射波初至時刻經(jīng)過讀時，呈線性，如圖3所示。

圖3　剖面GP95—GP97彈性波CT記錄讀時曲線Fig.3　Travelling time of direct wave and refractedwave along section GP95—GP97

表1為剖面GP95—GP97彈性波CT記錄讀時簡化表。根據(jù)表1可以計算出折射波的波速為4 m/(16.25 ms-14.75 ms)=2 667 m/s，此波速為彈性波在硬質PVC管中傳播速度。起跳為正起跳、走時呈線性這2點可以作為判定折射波的依據(jù)。

表1　剖面GP95—GP97彈性波CT記錄讀時Table 1　Travelling time of two elastic waves alongsection GP95—GP97

5　處理結果對比

彈性波CT反演的基礎為扇形測試獲取大量的首波(初至時刻參與反演計算的波)走時數(shù)據(jù)[3]，首波走時數(shù)據(jù)的準確性決定了反演結果的準確性。本文分為以下3種情況：

(1)先到的折射波是首波。

(2)在折射波后到的直達波是首波。

(3)折射波后沒有可以算為首波的直達波。

為了比較上述3種情況，將同一剖面按以下3種方式各處理一遍。

(1)存在折射波的炮記錄中的折射波到達時刻作為首波走時參與反演。

(2)在折射波后的直達波到達時刻作為首波走時參加反演。在本工區(qū)中，沒有折射波的記錄中，作為首波的直達波均負起跳，所以在有折射波的紀錄中，在折射波后尋找因為疊加了直達波的負起跳而造成的波形相位突變點作為首波到達時刻(見圖4，圖中波形即為圖2中波形局部放大)。在此種情況下，當波形相位突變點明顯時，直達波的判讀并不困難；當波形相位突變點不明顯時，走時時刻的判讀就需要根據(jù)經(jīng)驗及參考相鄰道來確定。

圖4　折射波后直達波走時時刻Fig.4　Travelling time of directwave after refracted wave

(3)所有存在正起跳折射波的數(shù)據(jù)道不讀首波走時時刻，進行反演。

將以上3種情況分別進行反演(首波走時數(shù)據(jù)不同，其他反演參數(shù)均相同)，得到圖5。

圖5　剖面GP95—GP97彈性波CT反演成果對比Fig.5　Results of inversion from three methods forsection GP95—GP97

圖5中顯示，3種反演結果對于彈性波在土中的傳播速度分布較為一致：剖面中深度5～10 m段，土的波速為800～1 300 m/s；深度10～13 m段，土的波速為1 300～1 800 m/s；深度13～28 m段，土的波速為1 800～2 200 m/s。

3種反演結果對于碎石異常有很大差異：①在圖5(a)中，可能含碎石的波速高值異常區(qū)域伸入盾構隧道內，在鉆孔GP95深度16～18 m段波速2 200～2 500 m/s，為可能含有碎石區(qū)；在鉆孔GP97深度5～8 m段波速1 300～1 900 m/s，為相對波速高值區(qū)。②在圖5(b)中，鉆孔GP95深度17～18 m段波速2 500～3 000 m/s，為含碎石區(qū)，深度14～24 m段波速2 200～2 500 m/s，為可能含碎石區(qū)。③在圖5(c)中，鉆孔GP95深度17.4～17.6 m段波速2 500～3 000 m/s，為含碎石區(qū)，深度14～20 m段波速2 200～2 500 m/s,為可能含碎石區(qū)。

從取芯照片可以看出，在鉆孔GP95深度17～18 m段為碎石區(qū)(見圖6(a))；鉆孔GP97深度5～8 m段未發(fā)現(xiàn)波速1 300～1 900 m/s的相對波速高值區(qū)，見圖6(b)。

圖6　鉆孔GP95,GP97部分孔段取芯照片F(xiàn)ig.6　Rock cores of borehole GP95 and GP97

通過后續(xù)跟蹤盾構掘進情況，在鉆孔GP95與鉆孔GP97間也并沒有出現(xiàn)因碎石影響掘進的情況。由此可見，3種處理方式中，把折射波到達時刻作為首波走時時刻參與反演會引起異常錯位，即產(chǎn)生虛假異常，效果最差；把折射波后的直達波到達時刻作為首波走時時刻參與反演，異常位置、范圍準確，效果最好；把含折射波道的首波時刻空置，進行反演，異常位置、范圍雖較為準確，但因參于反演的數(shù)據(jù)量減少，效果略差于把折射波后的直達波到達時刻作為首波參加反演的結果。

6　分析及結論

彈性波CT所利用的有效波應為直達波，所以，正確區(qū)分直達波與折射波初至時刻成為關鍵。實際生產(chǎn)中因套管原因造成折射波先于直達波到達接收檢波器的情況在彈性波CT中所見不多，所以折射波作為首波走時參與反演對于結果所造成的影響也較少得到重視。造成這種情況的原因是因為彈性波CT以往多用于在高速介質中尋找低速異常[8]，如在灰?guī)r區(qū)尋找?guī)r溶；在灌漿檢測中尋找破碎、裂隙區(qū)；橋梁混凝土構件中尋找裂隙、空洞等。在高速介質中尋找低速異常時，彈性波在套管中傳播速度低于周圍的高速介質，故不會產(chǎn)生折射波。

綜合上文分析，得到以下結論。

(1)在低速介質中尋找高速異常的彈性波CT工作時，當?shù)退俳橘|波速與套管波速相差較大時，且發(fā)射位置與接收位置、套管位置滿足折射產(chǎn)生條件(入射角達到臨界角)時，會出現(xiàn)折射波，折射波的判定可根據(jù)以下2點：①折射波的起跳相位與正常首波起跳相反；②折射波的走時時刻呈線性。

(2)在存在折射波的剖面處理中，一定不能將折射波的到達時刻作為首波的走時時刻參與反演，否則會在反演結果中產(chǎn)生異常移位、虛假異常等現(xiàn)象。

(3)在存在折射波的剖面處理中，應該將折射波后的直達波到達時刻作為首波走時時刻參與反演；如果直達波到達時刻不好判讀，應該將該道首波走時時刻空置。

參考文獻：

[1]徐佩芬，侍文，凌素群，等. 二維微動剖面探測“孤石”：以深圳地鐵7號線為例[J].地球物理學報，2012，55(6)：2120-2128.

[2]劉海濤，董艷平，彭軍，等.電磁波層析成像反演射線路徑的探討[J].長江科學院院報，2015，34(8)：135-138 .

[3]王家映. 地球物理反演理論[M].武漢：中國地質大學出版社，1998.

[4]王運生，王家映，顧漢明. 彈性波CT關鍵技術與應用實例[J].工程勘察，2005，(3)：66-68.

[5]王運生.最佳路徑算法在計算波路中的應用[J].物探化探計算技術，1992，14(1)：32-36.

[6]涂善波，毋光榮，裴少英. 彈性波CT在大壩截滲墻檢測中的應用[J].工程地球物理學報，2010，7(3)：286-291.

[7]陸基孟，鐘國森，陸邦干.地震勘探原理及資料解釋[M].北京：石油工業(yè)出版社，1982.

[8]牛建軍，杜立志，谷成. 巖溶探測中的彈性波CT方法[J].吉林大學學報(地球科學版)，2004，34(4)：630-633.