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(水利部長江勘測技術(shù)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(zhǔn)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(zhǔn)修建城市地鐵項(xiàng)目。地鐵施工一般采用盾構(gòu)法技術(shù)，在盾構(gòu)法隧道施工過程中，可能會遇到隨機(jī)分布的孤石，孤石不僅會對盾構(gòu)機(jī)的刀盤造成破壞，而且會延誤工期，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。在廈門、武漢地鐵盾構(gòu)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(jìn)行沿線的補(bǔ)充勘察，進(jìn)一步準(zhǔn)確掌握孤石的分布情況，然后在盾構(gòu)掘進(jìn)前對孤石進(jìn)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(zhì)雷達(dá)、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(jìn)行過嘗試和應(yīng)用。其中彈性波CT法可以獲得2孔間地下介質(zhì)彈性波速度的空間分布，而彈性波在孤石及其周圍介質(zhì)(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(jié)果較為吻合[1]。

本文根據(jù)武漢機(jī)場線軌道交通孤石檢測的工程應(yīng)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(shù)原理

CT技術(shù)又稱為計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)，是電子計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展后的一項(xiàng)新興技術(shù)，與傳統(tǒng)方法相比，CT技術(shù)數(shù)據(jù)量大，結(jié)果精確。地球物理領(lǐng)域主要應(yīng)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(shí)際應(yīng)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(zhì)(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(yuǎn)，適合異常規(guī)模大，能量損耗大的介質(zhì)。鑒于實(shí)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(dá)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(dá)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(zhì)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(jī)場線彈性波CT孤石探測簡介

武漢市軌道交通機(jī)場線工程起于天河機(jī)場T3航站樓，出機(jī)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(diǎn)金銀潭站。線路全長19.53 km，設(shè)站7座。據(jù)機(jī)場線的初勘、詳勘階段地質(zhì)資料揭露，該線路府河以北的部分區(qū)段在盾構(gòu)埋深范圍內(nèi)分布有粉質(zhì)黏土夾碎石、碎塊石夾土等地層，其中塊石及碎塊石對盾構(gòu)施工會帶來不利影響，尤其是當(dāng)存在塊徑較大的塊石時，會對盾構(gòu)的正常施工進(jìn)度產(chǎn)生直接影響。

機(jī)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(jié)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(jī)采用24道地震儀。

圖1　機(jī)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(zhì)(本文中為粉質(zhì)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(hù)壁，而且彈性波在PVC套管中傳播速度大于在粉質(zhì)黏土中的傳播速度，當(dāng)入射角達(dá)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(zhì)分界面的下介質(zhì)(套管壁)中存在，由于套管壁厚度遠(yuǎn)小于滑行波波長長度，所以滑行波在整個套管壁內(nèi)進(jìn)行傳播。當(dāng)滑行波沿PVC套管壁滑行時，引起套管壁兩側(cè)周圍介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動，形成折射波[7]。套管內(nèi)折射波通過井液傳播到接收檢波器，由于套管半徑遠(yuǎn)小于臨界點(diǎn)與接收點(diǎn)處的間距，可以認(rèn)為折射波波速即為套管壁內(nèi)滑行波波速。折射波傳播路徑距離雖然大于直達(dá)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(dá)波到達(dá)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(dá)波(藍(lán)線所示)。

圖2　剖面GP95—GP97實(shí)測波形與發(fā)射、接收換能器位置對應(yīng)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(dāng)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(dāng)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(zhì)深度的增加，套管周圍介質(zhì)波速也相應(yīng)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(dá)波初至起跳為負(fù)起跳)，折射波初至?xí)r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(jì)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(zhì)PVC管中傳播速度。起跳為正起跳、走時呈線性這2點(diǎn)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(jié)果對比

彈性波CT反演的基礎(chǔ)為扇形測試獲取大量的首波(初至?xí)r刻參與反演計(jì)算的波)走時數(shù)據(jù)[3]，首波走時數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性決定了反演結(jié)果的準(zhǔn)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(dá)波是首波。

(3)折射波后沒有可以算為首波的直達(dá)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(dá)時刻作為首波走時參與反演。

(2)在折射波后的直達(dá)波到達(dá)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(dá)波均負(fù)起跳，所以在有折射波的紀(jì)錄中，在折射波后尋找因?yàn)榀B加了直達(dá)波的負(fù)起跳而造成的波形相位突變點(diǎn)作為首波到達(dá)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(dāng)波形相位突變點(diǎn)明顯時，直達(dá)波的判讀并不困難；當(dāng)波形相位突變點(diǎn)不明顯時，走時時刻的判讀就需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及參考相鄰道來確定。

圖4　折射波后直達(dá)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(jìn)行反演。

將以上3種情況分別進(jìn)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(jié)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(jié)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(gòu)隧道內(nèi)，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(gòu)掘進(jìn)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(jìn)的情況。由此可見，3種處理方式中，把折射波到達(dá)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(dá)波到達(dá)時刻作為首波走時時刻參與反演，異常位置、范圍準(zhǔn)確，效果最好；把含折射波道的首波時刻空置，進(jìn)行反演，異常位置、范圍雖較為準(zhǔn)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(dá)波到達(dá)時刻作為首波參加反演的結(jié)果。

6　分析及結(jié)論

彈性波CT所利用的有效波應(yīng)為直達(dá)波，所以，正確區(qū)分直達(dá)波與折射波初至?xí)r刻成為關(guān)鍵。實(shí)際生產(chǎn)中因套管原因造成折射波先于直達(dá)波到達(dá)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(jié)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?yàn)閺椥圆–T以往多用于在高速介質(zhì)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(gòu)件中尋找裂隙、空洞等。在高速介質(zhì)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(zhì)，故不會產(chǎn)生折射波。

綜合上文分析，得到以下結(jié)論。

(1)在低速介質(zhì)中尋找高速異常的彈性波CT工作時，當(dāng)?shù)退俳橘|(zhì)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(dá)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(diǎn)：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(dá)時刻作為首波的走時時刻參與反演，否則會在反演結(jié)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(yīng)該將折射波后的直達(dá)波到達(dá)時刻作為首波走時時刻參與反演；如果直達(dá)波到達(dá)時刻不好判讀，應(yīng)該將該道首波走時時刻空置。

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