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歐美大地 工程案例
跨孔地震CT層析成像在盾構(gòu)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間：2022-08-30 瀏覽次數(shù)：498 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(shù)在福建某地地鐵盾構(gòu)隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的應(yīng)用案例。
內(nèi)容來源：陳志超，羅旋等，2015，《跨孔地震CT層析成像在盾構(gòu)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用》，工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，774-777

現(xiàn)狀與需求
從1818年法國工程師M.I.布呂內(nèi)爾觀察蛀蟲在木板內(nèi)分泌粘液掘進(jìn)鉆洞而受到啟發(fā)，發(fā)明敞開式手動掘進(jìn)技術(shù)開始，經(jīng)過200多年的發(fā)展，盾構(gòu)施工技術(shù)日趨完善，廣泛應(yīng)用于地下空間施工工作中。
然而，盾構(gòu)施工對隧道地質(zhì)條件要求較高，施工中主要存在的地質(zhì)問題為球狀風(fēng)化體(孤石）和軟土地層。殘積土中的孤石是盾構(gòu)隧道施工中獨(dú)特的地質(zhì)災(zāi)害，孤石會使盾構(gòu)機(jī)刀盤瞬間荷載突然加大，容易造成刀盤變形和刀具的嚴(yán)重?fù)p壞，易產(chǎn)生卡刀、崩刀、刀具偏磨等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度或增加建設(shè)成本。

因此在盾構(gòu)施工過程中應(yīng)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。
盾構(gòu)施工中，盾構(gòu)機(jī)械及掌子面全程處于工作狀態(tài)，很難采取前進(jìn)方向的機(jī)械探測或電磁波探測（后者也有例外，如“德國BEAM盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程實(shí)時(shí)隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)服務(wù)”），能夠運(yùn)用于盾構(gòu)施工中的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)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(gòu)前方構(gòu)造進(jìn)行探測，或者在地面，對前進(jìn)方向通過鉆孔，地震，電法等方法進(jìn)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(shù)對地鐵盾構(gòu)隧道區(qū)間地層進(jìn)行高精度的探測，獲取測試孔間的地層信息和不良地質(zhì)體分布情況，從而達(dá)到對盾構(gòu)隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的目的。

技術(shù)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(biāo)區(qū)兩側(cè)鉆孔成井，在井下進(jìn)行地震波的激發(fā)和接收，通過對觀測到的彈性波各種震相的運(yùn)動學(xué)(走時(shí)、射線路徑）和動力學(xué)（波形、振幅、相位、頻率）資料的分析，進(jìn)而反演地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)、速度分布及其彈性參數(shù)等重要信息，該方法通?？捎糜谔綔y規(guī)模小，要求精度高的地下介質(zhì)細(xì)結(jié)構(gòu)。


在實(shí)際操作中，一般采取一發(fā)多收扇形穿透的形式，一個(gè)孔內(nèi)放置高頻聲源（例如電火花震源）。另一個(gè)孔內(nèi)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(diǎn)激發(fā)，釋放地震波，在被測區(qū)域內(nèi)形成密集的射線交叉網(wǎng)絡(luò)，地震波被記錄下來，且波的旅行時(shí)被確定?；谒新眯袝r(shí)，一幅高分辨率的聲速圖被計(jì)算出來。
這時(shí)可認(rèn)為每個(gè)成像單元的地質(zhì)介質(zhì)是均勻的，波速是單一的，再運(yùn)用適當(dāng)?shù)姆囱菟惴纯色@得異常體的展布形態(tài)。

工程概況與測點(diǎn)布設(shè)
地測試區(qū)域位于福州地鐵1號線某隧道區(qū)間。根據(jù)前期勘察結(jié)果，區(qū)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(zhì)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(jié)構(gòu)，長石部分風(fēng)化，砂感強(qiáng)，含孤石，粒徑在0.5^5m；
區(qū)域地下水埋藏較淺，一般為地面以下3~5m。地鐵區(qū)間隧道在測試區(qū)域內(nèi)頂板設(shè)計(jì)埋深為18m，底板標(biāo)高為地面以下25m。
在前期地鐵隧道勘察過程中發(fā)現(xiàn)，部分區(qū)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，無法完全判斷軟土地層分布；盾構(gòu)機(jī)在上軟下硬地層中易產(chǎn)生姿態(tài)不穩(wěn)、機(jī)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(gòu)隧道中心線布設(shè)，平面上每10-15m布設(shè)一處鉆孔，鉆孔深度要求穿越隧道底板以下5m。區(qū)域內(nèi)共布設(shè)ZK1-ZK4共4處測孔，其中ZK1、ZK3為激發(fā)孔,ZK2、ZK4鉆孔為接收孔。測試區(qū)間總長度為36.5m。
測試孔采用輕型鉆機(jī)鉆孔，埋設(shè)75mmPVC管防止塌孔，管底密封，管周采用細(xì)沙回填。管內(nèi)灌注清水，以便使地震波震源能與管壁耦合。

參數(shù)設(shè)置
如下圖所示，跨孔地震層析成像系統(tǒng)主要由震源系統(tǒng)（脈沖發(fā)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(fā)采用P波放電激發(fā)探頭，使用5000V電火花震源，激發(fā)能量1000焦耳，激發(fā)點(diǎn)距為0.5m。地震波接收采用24道檢波器串，每個(gè)檢波器間距為1m。探測過程中,在激發(fā)探頭從孔底至孔口完成一組激發(fā)作業(yè)后，將接受檢波器串探頭抬升0.5m，并將激發(fā)探頭再次放置于孔底，重新進(jìn)行探測任務(wù)。從而使接收點(diǎn)距到達(dá)0.5m。

探測效果與驗(yàn)證
根據(jù)鉆孔得出地層結(jié)果，區(qū)域主要存在花崗巖殘積土、淤泥質(zhì)土和孤石3種地質(zhì)單元。根據(jù)以往探測結(jié)果，淤泥質(zhì)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(qū)間為1000-1800m/s，花崗巖球狀風(fēng)化體(孤石）強(qiáng)度接近于中風(fēng)化母巖，因此波速一般高于2500m/s。根據(jù)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(zhì)土層分布如下圖所示。
探測區(qū)域內(nèi)主要存在A、B兩處孤石區(qū)域，孤石形態(tài)呈條狀，孤石區(qū)域A長約10m，寬約3m。孤石區(qū)域B寬度可達(dá)4m，長度約15m，其中，孤石A位于隧道區(qū)間界限內(nèi)，將會對隧道施工產(chǎn)生影響。
為檢驗(yàn)測試成果準(zhǔn)確度，在ZK1與ZK2鉆孔間布設(shè)一處檢驗(yàn)孔X8。由于ZK1鉆孔地層較為單一，取X8與ZK2兩組地層編錄數(shù)據(jù)作為參照標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)表1、2結(jié)果，地震波跨孔CT探測對于淤泥質(zhì)土及孤石的區(qū)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(zhì)體定位的需要。
其中，地震波跨孔CT探測對于孤石的預(yù)報(bào)效果要優(yōu)于淤泥質(zhì)土，推測原因主要有兩點(diǎn)：1.孤石與周圍殘積土的彈性波波速差值較淤泥質(zhì)土大；2.淤泥質(zhì)土位于地表，受地面環(huán)境影響較大。

結(jié)論
地震波跨孔CT層析成像技術(shù)在某地鐵隧道區(qū)間的測試結(jié)果精度較高，對于地下孤石、軟土地層等不良地質(zhì)體的探測能夠滿足隧道施工需求，可應(yīng)用于盾構(gòu)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中。
地震波跨孔CT層析成像技術(shù)探測成果受探測目標(biāo)與周圍環(huán)境的P波傳播速度差值影響較大。加上地面環(huán)境的影響，該方法對于孤石的探測效果要優(yōu)于對淤泥質(zhì)土。
受地震波傳播路徑覆蓋面積影響,遠(yuǎn)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(yōu)于靠近激發(fā)或接收孔地層。
目前，地震波跨孔CT層析成像對數(shù)據(jù)的處理和反演仍存在主觀性較強(qiáng)的問題。數(shù)據(jù)反演結(jié)果的真實(shí)性和有效性直接影響目標(biāo)體的探測精度，尤其是目標(biāo)體范圍的探測。在這方面需要提升探測數(shù)據(jù)處理計(jì)算的研究水平。

使用設(shè)備
本案例中，震源系統(tǒng)和接收器均為德國Geotomographie公司產(chǎn)品，其中供能器為IPG5000型脈沖發(fā)生器，孔中震源為SBS42孔中P波震源，震源系統(tǒng)輸入電壓5000V，輸出能量1000J，具有充電迅速（最快8次/分），信號穩(wěn)定，探測深度大（最大400m）等特點(diǎn)，無論單炮探測還是疊加激發(fā)，信號極為穩(wěn)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(diǎn)，且自帶信號檢測功能。相關(guān)產(chǎn)品具體性能詳見歐美大地官網(wǎng)。

IPG5000脈沖發(fā)生器

SBS42孔中P波震源

BHC5水聽器鏈