綜合地球物理方法在成都地鐵站異常沉降勘察中的應用

唐杰生，黃 韜，龔春榮，黃 強

(1.中國建筑材料工業地質勘查中心 四川總隊,四川 成都 610052;2.成都理工大學 地球物理學院,四川 成都 610059;3.四川省地質工程勘察院集團有限公司,四川 成都 610032)

1 引言

隨著我國城市化進程加快,地鐵站及地鐵隧道的建設也迅速增長,建設和運營時發生的地面沉降問題也越來越嚴重[1,2]。一些地面沉降可能是地鐵隧道施工直接引起[2],一些可能與地鐵站位于較厚卵石地層有關[3],另外一些則是隧道降水引發的土體沉降變形[4]。

成都地鐵18號線火車南站站位于天府立交及地鐵1號線東側,既有7號線南側,施工過程中出現了一系列下沉現象。然而,前人研究發現火車南站的地面沉降與上訴沉降原因無關[5],可能是受到一些非抽水因素和非地質因素的影響,這些因素引起地面沉降的機理研究較少,也難被查明[6]。

本研究利用場地內4個勘探孔,采用綜合地球物理測井、井下攝像以及井間地震層析成像方法,并新引入了井間地震波衰減分析,查明了成都軌道交通18號線火車南站站沉降原因。

2 成都地鐵火車南站站沉降問題概況

成都地鐵18號線火車南站站沿高架橋東側布置,成都南站站東側為大鼎世紀廣場(圖1)?；疖嚹险菊臼┕で?大鼎國際一直存在沉降問題,施工過程中,大鼎國際繼續沉降,沉降較大點位集中于裙樓和1號塔樓之間古溝槽范圍內(圖1),建筑物沉降最大點位于大鼎世紀廣場西側,點位J24-1累計沉降-77.3 mm,且沉降在持續緩慢發展中。

火車南站站基坑外東側地表沉降最大點DB8-3累計沉降-92.39 mm(圖1)。維護樁樁頂豎向位移最大沉降點ZQC10累計沉降-91.4 mm,火車南站站主體結構第一至五段底板沉降觀測,累計最大測點為Z3(-31.2 mm),結構底板東側呈緩慢的沉降趨勢;結構底板西側沉降累計最大測點為Y3(-1.8 mm),目前處于穩定狀態(圖1)。

從各點沉降數據看,位于古溝槽范圍內的點與基坑東側維護樁及附近沉降相對較大,西側穩定,基坑東西側出現較大的差異沉降。

根據收集到的大鼎國際地勘資料顯示,裙樓范圍及主樓北段覆蓋層最厚達28.6 m,普遍存在三層砂層,單層最大厚度2.7 m,砂層埋深最深22 m以下,局部出現砂夾卵石透鏡體現象,基巖面普遍埋深16～28.6 m,基巖面起伏較大。砂層透鏡體分布不均、高富水、砂卵石含量高、卵石和漂石強度大、穩定性差、透水性強[7]。由于透鏡狀砂土大多處于飽水狀態,以粉細砂為主,降低地下水位后,在基礎附近形成大的水力坡度,當水力坡度大于臨界水力坡度時,在滲透壓力作用下將細粒土帶走,容易產生潛蝕和管涌,使粗粒土顆粒重新排列壓縮而引起地面變形[3]。因此,大鼎國際的沉降可歸因于高富水砂卵石層發育。但是,建筑物最大沉降點,地表最大沉降點,維護樁最大沉降點距離發育高富水砂卵石層的古溝槽較遠,沉降原因有待調查。因此,對火車南站站進行深孔和淺孔結合補勘,共布置4孔(M18BK-HCNZ-01,02,03和04孔),并進行綜合測井、井間地震層析成像、井內攝影工作,以期查明引起沉降的具體原因,并以此為根據給出針對性的工程處理措施。

3 方法原理

3.1 綜合地球物理測井

在工程勘察領域,地球物理測井,主要有聲波速度、電阻率、自然電位、自然伽馬、井溫、井斜以及井徑測井等方法,用于劃分地層、調查構造、評價巖體完整性、含水層發育及地熱系統等[8,9]。

聲波速度測井使用頻率比較高的聲波來獲得詳細的沿井速度剖面。因此,它適合于檢測巖層細微的變化,如薄層、節理裂隙發育、有效孔隙度等。聲波速度測井經常與井斜、井徑勘測一起使用。一般完整的巖體,其聲波旅行時較小、波速較高,聲波曲線波動相對較少,井徑曲線光滑不擴大;而破碎巖體或節理裂隙發育的巖(土)體,波速相對較低,井徑曲線凹凸不平、變化大,甚至出現井徑擴大現象。

電阻率受到地層水電導率或飽和度特征的強烈影響,因此將視電阻率測井曲線與其他測井參數曲線相結合來劃分含水地層界面[8]。若巖石破碎、裂隙發育被水填充,通常會出現低阻異常,因此電阻率曲線也被用來推斷裂隙破碎帶及斷層發育情況。自然電位的變化可以指示滲透層和巖性邊界,因為這些位置往往產生電荷或電位梯度[10]。

自然伽馬測井主要測量地層沿井的天然伽馬射線強度。自然伽馬反映了大多數沉積巖中的頁巖和黏土含量[10]。

連續的溫度—深度測井,特別是在熱平衡條件下的鉆孔中記錄的溫度—深度測井,提供了地下熱結構的詳細信息。在裂隙巖體中,沿裂縫面和裂縫間的水流被鉆孔水流穿透,鉆孔為水流提供了通道,產生了不同的、特征性的熱異常[11]。因而從井溫曲線的變化可分析出含水層、隔水層的位置,推斷地下水的運移情況[8,12]。

3.2 井下攝影

井下電視成像系統(井下攝像)是一項較新的測井技術,可通過彩色攝像直觀地監視鉆孔孔壁展現的地層巖性變化、巖石結構、溶蝕及破碎帶發育情況等[13]。

3.3 井間地震波層析成像

地震層析成像是一種類似于X射線計算機層析成像(Computed Tomography,CT)的醫療應用技術。X射線CT使用X射線對人體內部進行成像,而地震層析成像使用地震波對地面內部進行成像?？缈椎卣鸩▽游龀上?是通過在一孔內激發地震波,另一孔內安置傳感器接收并記錄,通過提取記錄的地震波在地層中的傳播時間,來反演地層斷面的速度高低分布,進而達到對地層巖石表征,巖石斷裂、蝕變、風化帶的檢測,裂隙巖體注漿評價等[14]。

井間地震層析成像的核心問題是:①初至波走時和射線路徑計算,即正演問題;②通過不同的重建算法進行成像、解釋,即反演問題[15]。彎曲射線快速追蹤是提高層析成像精度關鍵技術之一,本研究采用最短路徑射線追蹤算法。井間地震層析中的反演方程組一般為大型稀疏非線性矩陣,而層析方程組的求解是井間地震層析的關鍵。本研究采用基于正交分解最小二乘法(Least Squares QR factorization,簡稱LSQR算法)來進行迭代求解。

3.4 井間地震波衰減分析

近年來地震數據質量,特別是井間地震數據質量的提高,使得從振幅隨頻率的變化來估計地震衰減成為可能[16]。相比于速度,地震波衰減對一些巖石性質更敏感,如飽和度、孔隙度、滲透率等[16,17]。地震波衰減的測量提供了除速度外的有關巖石性質的補充信息。

完整巖石表現為較高波速和弱地震波衰減,裂縫較發育的巖石表現為較低波速和強地震波衰減[18]。一般軟弱結構帶或是破碎帶相對較小,由低波速異常造成的走時差異不明顯,而地震波衰減對介質的宏觀和微觀結構缺陷敏感,因而更適合用來研究工程巖體的斷裂、破碎帶等發育情況[19]。

圖2 成都地鐵火車南站站M18BK-HCNZ-01孔和M18BK-HCNZ-03孔綜合地球物理測井曲線及井間地震波層析成像剖面Fig.2 Comprehensive geophysical logging curves and cross-well seismic wave tomography profiles of borehole M18BK-HCNZ-01 and M18BK-HCNZ-03 at Chengdu metro south railway station

在大多數天然材料中,地震衰減隨頻率增加而增加。隨著波的傳播,地震信號的高頻分量比低頻分量衰減得更快。結果,信號頻譜的峰值頻率或是質心頻率在傳播過程中變小[16]。井間層析成像完成后,速度場已知,則可以準確地進行射線追蹤,計算沿著一定射線長度傳播的地震波的頻譜,從頻譜的特征推斷地震波的衰減程度[20]。為了評估泥巖裂隙、破碎帶等發育情況,本研究對在泥巖中傳播的直達波進行頻譜分析。為了直接比較鉆孔01和鉆孔03之間及鉆孔03和鉆孔04之間直達波頻譜衰減程度,選取的直達波的射線長度應相近。由于鉆孔01和鉆孔03之間的直線距離為25 m,鉆孔03和鉆孔04之間的直線距離為16 m,篩選出的直達波在鉆孔01和鉆孔03之間的射線長度約為25.2 m,且全段射線都分布在泥巖中,共38條;而篩選出的直達波在鉆孔03和鉆孔04之間的射線長度為24.0～24.8 m,且大段射線穿透泥巖,小段射線穿透礫巖,共24條。本研究對這些直達波進行頻譜分析,比較鉆孔01和鉆孔03之間及鉆孔03和鉆孔04之間直達波的峰值頻率及質心頻率,對比泥巖的裂隙發育程度或軟化程度。

3.5 儀器設備及參數

本研究使用了上海地學儀器研究所生產的JHQ-2D/DX型綜合數控測井系統、美國產Geode24地震儀系統、武漢天宸偉業產TS-C1201型多功能鉆孔全景成像儀等儀器及輔助物探設備。

4 成果分析

4.1 綜合地球物理測井成果及解釋

圖3 成都地鐵火車南站站M18BK-HCNZ-02孔綜合地球物理測井曲線Fig.3 Comprehensive geophysical logging curve of borehole M18BK-HCNZ-02 at Chengdu metro south railway station

圖2,圖3和圖4為火車南站站基坑沉降勘察綜合測井解釋成果?？梢园l現,基坑底板以下的淺部基巖巖體波速較低,且各孔聲波速度在該地層中也有差異:速度較低的地層主要分布在深度16～38 m范圍內,這段地層主要為泥巖,內含礫石,數量不多,分布不均。從圖5鉆孔泥巖段聲速統計直方圖中可以發現,鉆孔02泥巖段聲速均值為2.26 km/s,鉆孔03泥巖段聲速均值為2.12 km/s,鉆孔01泥巖段聲速均值為2.80 km/s,鉆孔02和鉆孔03的泥巖段聲速均值明顯較鉆孔01偏低,這兩個鉆孔較鉆孔01裂隙更加發育。鉆孔04泥巖段聲速均值為2.91 km/s,與鉆孔01相近,但是其聲速范圍變化大,最小值為1.41 km/s,而鉆孔01聲速最小值為1.72 km/s,說明鉆孔04部分泥巖段較鉆孔01裂隙更加發育。

從圖2、圖3和圖4的電阻率曲線可以發現,部分泥巖中夾有少量的礫巖,導致電阻率較高,比如鉆孔01、鉆孔02泥巖層的頂部具有礫巖夾層,鉆孔03泥巖層的底部發育薄層礫巖?？傮w上,關于泥巖段的電阻率,鉆孔01均值為16.7 Ω·m,鉆孔02均值為23.9 Ω·m,鉆孔03均值為35.77 Ω·m,鉆孔04均值18.67 Ω·m,電阻率均值都較小,符合泥巖低電阻率特征。

圖4 成都地鐵火車南站站M18BK-HCNZ-04孔和M18BK-HCNZ-03孔綜合地球物理測井曲線圖及井間地震波層析成像剖面Fig.4 Comprehensive geophysical logging curves and cross-well seismic wave tomography profiles of borehole M18BK-HCNZ-04 and M18BK-HCNZ-03 at Chengdu metro south railway station

根據井溫測井資料,靠近基坑東側的鉆孔02、03和04,井深50～120 m,井溫偏高,最高井溫可達23 ℃,而基坑西側的鉆孔01孔在該深度范圍內井溫正常,最高溫度為20.7 ℃?；訓|側鉆孔井深50～120 m范圍內最高溫度比西側高出2 ℃多;在南北方向上,東側的三個孔井溫變化基本一致;在垂向上,4個鉆孔均在孔深45 m左右出現井溫低值;據施工單位資料,東側殘留地源熱泵套管內,見承壓地下水噴出現象。

4.2 井下攝影解譯成果

根據測井資料和井中攝影、攝像顯示,火車南站站基坑西側鉆孔01淺部巖層孔徑變化不大,東側鉆孔02、03、04號淺部巖層孔徑有不同程度的增大現象,圍護樁底有松散沉渣、局部有空洞;樁底虛渣清理不徹底等有關。值得注意的是在所測4個鉆孔中,孔深43～45 m位置,都出現了孔壁坍塌不連續的現象(圖6),這個深度也對應著井溫突變,推測為地下水水流裂隙通道。

圖5 成都地鐵火車南站站鉆孔01、02、03、04泥巖聲波波速統計直方圖Fig.5 Statistical histogram of sonic wave velocity of mudstone in boreholes 01, 02, 03 and 04 at Chengdu metro south railway station

圖6 成都地鐵火車南站鉆孔01、02、03、04井下電視圖像Fig.6 TV images of boreholes 01, 02, 03 and 04 at Chengdumetro south railway station

4.3 井間地震層析成像結果及解釋

鉆孔01孔和鉆孔03孔地震層析成像速度分布圖揭示(圖2),20～38 m,為泥巖層,地震波速度為1 700～3 000 m/s,孔間沒有發現明顯的低速異常;38～47 m,為礫巖層,地震波速度為3 000～4 000 m/s; 礫巖層47 m以下,地震波速度大于4 000 m/s。

鉆孔03孔和鉆孔04孔地震層析成像速度分布圖揭示(圖4),18～39 m為泥巖層,地震波速度為1 500～3 000 m/s,圍護樁頂部存在一些低速異常,其余位置沒有發現明顯的低速異常;39～45 m為礫巖層,速度隨深度增加有所提高,速度值為3 000～4 000 m/s。

4.4 井間地震波衰減分析

由于衰減信息與波形有關,因此需要考慮震源激發和檢波器接收對波形的影響。外業作業時,為了保證激發和接收的一致性,數據采集在井液和井溫較穩定的狀況下進行,并在地表布設一個監測檢波器[21],以觀測震源波形的變化。當震源波形有明顯的畸變時,標記這一炮點,并剔除這一炮點數據。本研究還通過疊加地震道自相關函數來分析震源和接收器的耦合情況。在碳封存之前和之后對儲層進行衰減成像研究時,將震源和接收器的地震信號的自相關函數進行疊加,以評估兩次外業作業中震源與接收器的耦合情況[22,23]。本研究借鑒了該方法來評估震源及檢波器的耦合情況,計算了20～40 m深度每個炮點的24道地震信號的自相關函數,然后疊加這些自相關函數,使用平均自相關函數來評估炮點的耦合情況。因為24道接收器不同的耦合狀態被疊加所平均了[23],所以平均自相關函數反映的是炮點的耦合狀況。如果平均自相關函數較穩定且一致性較好,則說明震源耦合較好。如果平均自相關函數呈現不規律的變化,則說明震源耦合條件較差。同樣的,對于20～40 m深度每個檢波器的耦合情況的檢測,則通過分析這個檢波器所接收到的地震信號的平均自相關函數進行(圖7)。其中,圖7(a)為鉆孔01中震源的平均自相關函數;圖7(b)為鉆孔04中震源的平均自相關函數;圖7(c)為鉆孔01和鉆孔03井間地震,鉆孔03中的接收器平均自相關函數;圖7(d)為鉆孔04和鉆孔03井間地震,鉆孔03中的接收器平均自相關函數。如圖7(a)、圖7(b)所示,震源的平均自相關函數基本是穩定的,且一致性較好。在進行鉆孔01和鉆孔03的井間地震測量時,深度27 m的檢波器的平均自相關函數不穩定,與其他檢波器的平均自相關函數一致性較差,因此,深度27 m位置的檢波器耦合較差(圖7c)。在進行鉆孔04和鉆孔03之間的井間地震測量時,因平均自相關函數不穩定,與其他檢波器的平均自相關函數一致性較差,深度20 m,23 m,25 m和26 m位置的檢波器耦合較差(圖7d)。檢波器耦合較差情況下的地震信號都被剔除,不參與地震波衰減分析。

本研究以峰值頻率為中心,峰值頻率兩倍頻率范圍內計算頻譜質心,所對應的頻率即為質心頻率。質心頻率即為頻譜能量質心所對應的頻率,如果頻譜能量曲線形態不規則,偏離高斯函數較大,則用質心頻率估計地震波衰減比峰值頻率更加可靠[16,24]。本研究將篩選出的地震數據按首波到時進行排列進行頻譜分析,得到的結果如圖8所示。其中,圖8(a)為鉆孔01和鉆孔03之間的直達波頻譜分析;圖8(b)為鉆孔03和鉆孔04之間的直達波頻譜分析。從上至下依次為原始地震波形記錄,人工拾取的直達波走時,每條直達波峰值頻率及質心頻率,每條直達波的頻譜及不同鉆孔之間的直達波平均頻譜。在直達波穿過相同距離(約25 m)的情況下,鉆孔01和鉆孔03之間,直達波平距走時約11.9 ms;鉆孔03和鉆孔04之間,直達波平均走時約12.45 ms,兩者差異只有0.55 ms左右。泥巖層平均波速約為2 000 m/s, 則由走時差異計算得到的波速差異約100 m/s,波速差異只有5 %。鉆孔01和鉆孔03之間,直達波平均頻譜峰值頻率為440 Hz,質心頻率為450 Hz;鉆孔03和鉆孔04之間,直達波平均頻譜峰值頻率為340 Hz, 質心頻率為321 Hz。由于鉆孔01和鉆孔03之間直達波平均頻譜高頻能量更多,質心頻率較峰值頻率高;而鉆孔03和鉆孔04之間直達波平均頻譜低頻能量更多,質心頻率較峰值頻率低。平均頻譜峰值頻率差異約100 Hz,而質心頻率差異則達到約130 Hz,平均主頻約400 Hz,則主頻差異達到25 %甚至更高,頻率差異明顯(圖8)。由于鉆孔01和鉆孔03,鉆孔03和鉆孔04頻譜能量差異較大,平均頻譜的質心頻率差異可達25 %,則說明不同鉆孔之間地震波衰減程度大不相同。鉆孔01和鉆孔03之間地震波衰減較小,而鉆孔03和鉆孔04之間地震波衰減較大,說明鉆孔01和鉆孔03之間泥巖層較完整,鉆孔03和鉆孔04之間泥巖層裂隙較發育,或是泥巖體軟化較嚴重。

圖7 深度20～40 m的震源和接收器平均自相關函數Fig.7 Average autocorrelation function of source and receiver at depths of 20～40 m

圖8 井間地震直達波頻譜分析Fig.8 Spectrum analysis of direct seismic waves between wells

4.5 綜合討論分析

從以上鉆孔聲速,井間地震波衰減分析,結合鉆探巖心照片,火車南站站基坑東側泥巖層相對西側節理裂隙增多,強度減弱。東側的井溫明顯高于西側,由于東側有許多廢棄地源熱泵深井,易風化的泥巖在長期的熱交換作用下使巖體產生物理風化,加速了風化裂隙的形成,累積張開度明顯增大[25],破壞了泥巖的隔水性。地下水(包括地源熱泵泄漏水)沿節理裂隙運動,或地熱管與巖體間填筑不密實容易形成滲水通道,進一步軟化泥巖,降低巖體承載能力[5];而西側遠離地源熱泵深井,長期熱交換對其幾乎無影響?；疖嚹险菊净訓|西兩側泥巖裂隙發育不一致,東側裂隙較發育,與差異沉降現象基本一致。

富水段或者圍巖較軟弱地段的加固手段通常是多種措施結合運用,控制沉降[26]。因此,建議對基坑東側原地源熱泵管分布區域結合沉降較大區域進行注漿處理,注漿深度40 m左右,基坑底板以下22 m左右,注漿要保證泥巖段被加固。并通過測定注漿前后巖土層的強度變化來判斷注漿效果,如鉆探采取巖土芯樣進行強度測試、孔內原位測試以及載荷試驗[27-29]。另外,盡快采取措施恢復地下水水位。

5 結論

通過綜合對成都地鐵火車南站站基坑底板和圍護樁下沉的綜合物探工作,形成以下結論:

1)成都地鐵南站站基坑東側泥巖聲波速度比西側的低5%,兩者差異不明顯;但是,基坑東側穿透泥巖的地震直達波低頻能量強,高頻弱,高頻成份衰減大,其平均峰值頻率約340 Hz,而西側穿透泥巖的地震直達波平均峰值頻率約450 Hz,東西兩側相差約30 %。直達波衰減程度的顯著差異說明,基坑東側的泥巖層裂隙較發育,泥巖強度較低,西側泥巖層則較完整。

2)基坑東側的井溫明顯高于西側。東側存在廢棄地源熱泵深井,泥巖在長期的熱交換作用下使巖體產生物理風化。同時,地下水沿泥巖節理裂隙運動,進一步軟化泥巖,降低巖體承載能力,導致地面沉陷。

3)為探測巖體完整性,使用傳統的地震波層析成像,波速差異不明顯時,難以判斷巖體裂隙發育情況或是巖體軟化情況。地震波衰減分析額外利用了頻譜信息,提高了巖體力學性質刻畫的準確度和可靠性,為沉降成因機理分析提供了科學依據。而且,地震波衰減分析步驟簡單,具有一定的可操作性,為進一步查明巖體性質的提供了參考。