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歐美大地工程案例

跨孔地震CT層析成像在盾構隧道超前地質預報中的應用

發布時間：2022-08-30 瀏覽次數：1335 來源：歐美大地

摘要
本文介紹了德國Geotomographie公司跨孔地震CT層析成像技術在福建某地地鐵盾構隧道施工超前地質預報的應用案例。
內容來源：陳志超，羅旋等，2015，《跨孔地震CT層析成像在盾構隧道超前地質預報中的應用》，工程地質學報，774-777

現狀與需求
從1818年法國工程師M.I.布呂內爾觀察蛀蟲在木板內分泌粘液掘進鉆洞而受到啟發，發明敞開式手動掘進技術開始，經過200多年的發展，盾構施工技術日趨完善，廣泛應用于地下空間施工工作中。
然而，盾構施工對隧道地質條件要求較高，施工中主要存在的地質問題為球狀風化體(孤石）和軟土地層。殘積土中的孤石是盾構隧道施工中的地質災害，孤石會使盾構機刀盤瞬間荷載突然加大，容易造成刀盤變形和刀具的嚴重損壞，易產生卡刀、崩刀、刀具偏磨等現象，嚴重影響施工進度或增加建設成本。

因此在盾構施工過程中應進行超前地質預報工作。
盾構施工中，盾構機械及掌子面全程處于工作狀態，很難采取前進方向的機械探測或電磁波探測（后者也有例外，如“德國BEAM盾構機掘進過程實時隧道地質超前預報技術服務”），能夠運用于盾構施工中的超前地質預報方法有限。目前主要的探測手段，均為通過圍巖利用地震反射波對盾構前方構造進行探測，或者在地面，對前進方向通過鉆孔，地震，電法等方法進行提前探測，本文所介紹的地震波跨孔層析成像（CT)即為地面提前探測方法之一。
用跨孔地震CT層析成像技術對地鐵盾構隧道區間地層進行高精度的探測，獲取測試孔間的地層信息和不良地質體分布情況，從而達到對盾構隧道施工超前地質預報的目的。

技術原理
地震波跨孔層析成像（C T ) 是一種地下物探方法。測試前在測試目標區兩側鉆孔成井，在井下進行地震波的激發和接收，通過對觀測到的彈性波各種震相的運動學(走時、射線路徑）和動力學（波形、振幅、相位、頻率）資料的分析，進而反演地下介質的結構、速度分布及其彈性參數等重要信息，該方法通常可用于探測規模小，要求精度高的地下介質細結構。

在實際操作中，一般采取一發多收扇形穿透的形式，一個孔內放置高頻聲源（例如電火花震源）。另一個孔內固定住一串檢波器（水聽器），通過震源向井下移動并在每一處理想的深度位置逐點激發，釋放地震波，在被測區域內形成密集的射線交叉網絡，地震波被記錄下來，且波的旅行時被確定。基于所有旅行時，一幅高分辨率的聲速圖被計算出來。
這時可認為每個成像單元的地質介質是均勻的，波速是單一的，再運用適當的反演算法即可獲得異常體的展布形態。

工程概況與測點布設
地測試區域位于福州地鐵1號線某隧道區間。根據前期勘察結果，區域地層從上到下依次為：
人工素填土：成分雜亂，含碎石，厚0~3m；
第四系海積淤泥質土：可塑-流塑，厚度為0~15m；
花崗巖殘積土：可塑-硬塑，具有原巖結構，長石部分風化，砂感強，含孤石，粒徑在0.5^5m；
區域地下水埋藏較淺，一般為地面以下3~5m。地鐵區間隧道在測試區域內頂板設計埋深為18m，底板標高為地面以下25m。
在前期地鐵隧道勘察過程中發現，部分區域在隧道頂板上方存在軟土地層，但由于僅是部分鉆孔揭露，無法判斷軟土地層分布；盾構機在上軟下硬地層中易產生姿態不穩、機體易被卡、圍巖噴涌、拱頂易坍塌、地面沉降不可控等問題。
地震波測試孔沿盾構隧道中心線布設，平面上每10-15m布設一處鉆孔，鉆孔深度要求穿越隧道底板以下5m。區域內共布設ZK1-ZK4共4處測孔，其中ZK1、ZK3為激發孔,ZK2、ZK4鉆孔為接收孔。測試區間總長度為36.5m。

測試孔采用輕型鉆機鉆孔，埋設75mmPVC管防止塌孔，管底密封，管周采用細沙回填。管內灌注清水，以便使地震波震源能與管壁耦合。

參數設置
如下圖所示，跨孔地震層析成像系統主要由震源系統（脈沖發生器+電火花探頭），孔中接收器（水聽器陣列）和地震儀組成。

本案例中地震波激發采用P波放電激發探頭，使用5000V電火花震源，激發能量1000焦耳，激發點距為0.5m。地震波接收采用24道檢波器串，每個檢波器間距為1m。探測過程中,在激發探頭從孔底至孔口完成一組激發作業后，將接受檢波器串探頭抬升0.5m，并將激發探頭再次放置于孔底，重新進行探測任務。從而使接收點距到達0.5m。

探測效果與驗證
根據鉆孔得出地層結果，區域主要存在花崗巖殘積土、淤泥質土和孤石3種地質單元。根據以往探測結果，淤泥質土屬于軟土類型，地震波波速一般低于1000m/s，花崗巖殘積土地震波波速區間為1000-1800m/s，花崗巖球狀風化體(孤石）強度接近于中風化母巖，因此波速一般高于2500m/s。根據跨孔CT掃描成果揭示鉆孔間波速值差異，判斷孤石及淤泥質土層分布如下圖所示。

探測區域內主要存在A、B兩處孤石區域，孤石形態呈條狀，孤石區域A長約10m，寬約3m。孤石區域B寬度可達4m，長度約15m，其中，孤石A位于隧道區間界限內，將會對隧道施工產生影響。
為檢驗測試成果準確度，在ZK1與ZK2鉆孔間布設一處檢驗孔X8。由于ZK1鉆孔地層較為單一，取X8與ZK2兩組地層編錄數據作為參照標準。

根據表1、2結果，地震波跨孔CT探測對于淤泥質土及孤石的區位判斷效果較好，最大誤差僅為0.25m，滿足施工過程中對不良地質體定位的需要。
其中，地震波跨孔CT探測對于孤石的預報效果要優于淤泥質土，推測原因主要有兩點：1.孤石與周圍殘積土的彈性波波速差值較淤泥質土大；2.淤泥質土位于地表，受地面環境影響較大。

結論
地震波跨孔CT層析成像技術在某地鐵隧道區間的測試結果精度較高，對于地下孤石、軟土地層等不良地質體的探測能夠滿足隧道施工需求，可應用于盾構隧道超前地質預報工作中。
地震波跨孔CT層析成像技術探測成果受探測目標與周圍環境的P波傳播速度差值影響較大。加上地面環境的影響，該方法對于孤石的探測效果要優于對淤泥質土。
受地震波傳播路徑覆蓋面積影響,遠離接收孔地層探測信息量大，信息可靠度較髙，探測精度均要優于靠近激發或接收孔地層。
目前，地震波跨孔CT層析成像對數據的處理和反演仍存在主觀性較強的問題。數據反演結果的真實性和準確性直接影響目標體的探測精度，尤其是目標體范圍的探測。在這方面需要提升探測數據處理計算的研究水平。

使用設備
本案例中，震源系統和接收器均為德國Geotomographie公司產品，其中供能器為IPG5000型脈沖發生器，孔中震源為SBS42孔中P波震源，震源系統輸入電壓5000V，輸出能量1000J，具有充電迅速（最快8次/分），信號穩定，探測深度大（最大400m）等特點，無論單炮探測還是疊加激發，信號極為穩定，非常適合工程勘測中使用，接收器為BHC4孔中水聽器鏈，該型號2022年已更新為BHC5，具有精度高，使用深度大（500m）等特點，且自帶信號檢測功能。相關產品具體性能詳見歐美大地官網。