跨孔弹性波CT在地质工程勘察中的应用
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摘要:
由于传统的地质工程勘察方法在实际应用中存在较大的残差，提出了跨孔弹性波CT在地质工程勘察中的应用。利用井间弹性波CT对地质工程勘探区进行三维探测，获取地质工程岩体信息。在此基础上，将地质三维空间探测数据导入网格模型，对数据进行网格化分析，形成地质工程三维模型图，了解地质工程岩体的空间分布和发育情况，从而完成地质工程勘察。实验表明，基于跨孔弹性波CT的地质工程勘察结果残值比传统方法小，更适用于地质工程勘察。
关键词:
井间弹性波CT；地质工程勘察；三维空间；网格模型；空间分布；
简介:
井间弹性波CT可分为地震井间弹性波CT和超声波CT。在不损伤被测物体的前提下，弹性波射线穿透被测物体，声波射线在物体的另一端被信号接收系统接收。一般来说，跨孔弹性波CT是一种多声接收系统，即弹性波射线在物体上单点发射，在物体另一端呈扇形排列接收，然后沿物体另一端自上而下同步移动进行扫描观测[1]。由于具有高效、无损、高精度和高灵敏度等优点，跨孔弹性波CT在医学、生物学、航空航天等测量领域得到了广泛的应用。在国外，井间弹性波CT技术已经应用于地质勘探领域，并取得了一定的应用成果，而在国内还没有这方面的应用经验。目前，地质工程测量仍采用传统的人工测量方法。在实际应用中，传统的测量方法主要依靠人员的测量经验和技术，很难获得准确的岩体内部信息，可以实现地表二维探测，但不能实现地表三维探测。随着地质工程勘察难度和要求的不断提高，传统的勘察方法在精度和效率上已经不能满足地质工程勘察的要求。因此，提出了跨孔弹性波CT在地质工程勘察中的应用研究，为跨孔弹性波CT在地质工程勘察中的应用提供了理论依据。
1，基于跨孔弹性波CT的地质工程勘探方法
地质工程勘察的主要内容是通过勘察了解深部地质岩体的分布和发育情况，进而推断深部地质岩体的空间位置和裂隙发育情况。本文采用跨孔弹性波CT技术作为地质工程的主要测量手段，对地质工程进行三维勘探，获取地质工程岩体信息，并通过分析岩体信息得出地质工程勘察成果。下面将详细描述基于井间弹性波CT的地质工程勘察方法。
1.1.基于跨孔弹性波CT的地质三维空间探测
通常，地质工程场地的地层主要为粉土和砾石土，这两种土的纵波波速Vp在1200米/秒~ 1500米/秒之间，工程场地的基岩通常为页岩，中风化页岩的纵波波速Vp在2400米/秒~ 3500米/秒之间，微风化页岩的纵波波速Vp在3800米/秒之间..此外，场地深部岩体发育区的纵波声束Vp为1200m/s ~ 1500m/s，不同地质间存在明显的声束差异。因此，根据地质工程勘察的要求，选择井间弹性波CT技术进行三维地质勘探，获取深部岩体的数据信息，用于后续的三维地质勘探数据分析。检测过程如下[2]。
根据实际情况和检测要求，本文采用型号为LOKP-S2S1跨孔弹性波CT扫描仪作为检测设备。首先，使用HIS62地质岩心钻机以旋转方式在地表钻孔。为了更准确地获得地质三维空间数据，钻孔间距应相对较小，通常视实际情况而定，范围为5.5m ~ 7.5m，钻孔孔径大小应控制在100mm ~ 130mm之间，钻孔深度应在35m ~ 55m范围内，以避免地质破坏。成孔后，将直径为75毫米的PVC套管壁放入孔中，供跨孔弹性波CT扫描仪工作。
钻孔完成后，选择两个相对较近的钻孔作为弹性波CT发射钻孔，井间弹性波CT扫描仪通过激发高频弹性波扫描勘探地质；然后选择另一侧的钻孔作为弹性波CT接收钻孔，井间弹性波CT扫描仪内置传感装置，用于接收地质反射回来的弹性波信号。在检测过程中，需要开启跨孔弹性波ct扫描仪的噪声监测功能，选择噪声相对较小的时间范围作为信号接收时间段，以保证跨孔弹性波CT扫描仪三维空间扫描检测数据的准确性。传感装置接收的弹性波CT信号由计算机读取，统一存储，用于地质三维空间探测数据的分析。
1.2、地质三维空间探测数据分析
井间弹性波CT扫描仪采集的数据都与弹性波有关。要想通过这些数据了解深部岩体的空间位置和裂隙发育情况，就需要对三维空间探测数据进行处理和分析。首先将测区离散成若干规格的网格单元，将地质三维空间探测数据导入网格单元，形成网格模型，用公式表示如下:
公式(1)中，ti为地质工程离散区域的网格模型，即第I条弹性波射线的走时；Dij是第I条弹性波射线通过第j个网格的长度；n是弹性波射线的数量；m是地质工程离散区域网格模型中的网格数；v是弹性波的速度；(x，y)是弹性波射线的路径。用联合迭代法求解上述公式，可以得到每个小方块内的地质弹性波慢度值，分别取它们的倒数值，就可以得到钻孔间的岩体分布。利用上述公式，绘制各离散地质工程岩体的三维空间模型图，将所有离散的区域岩体三维空间模型图融合在一起，形成地质工程勘探岩体三维空间分布图。通过该图可以了解地质工程岩体的发育和分布情况，确定岩体的具体发育位置和范围，从而完成地质工程勘探岩体的三维空间分布图。
2.实验演示和分析
实验以某地质工程为实验对象，该地质工程的调查面积为6642.5m？地质土层为粉质粘土、碎石土等。，而且波速是有差别的。本次试验采用设计方法和传统方法进行地质工程勘察，得出深部岩体分布情况。
根据地质工程的实际情况，勘察区共布置10条测线，每条测线布置5个钻孔，其中* * *计布置50个钻孔，共布置5对跨孔弹性弹性波CCTT剖面。。实际实验中，中间工程项目地质钻孔孔径为110000 mmm，钻孔深度为45 m，利用矿孔弹性波ct对每个钻孔进行三维空间勘探扫描三次，取三次扫描中噪声波动最小的一组数据作为勘探数据，* * *获取数据1235.52MB，据此分析地质数据，并实验中，将两种方法的调查数据记录在电子表格中，并与实际值进行比较，通过GSS软件计算两种方法调查结果的残差。残差值是评价精度的有效指标，其取值范围为0-1。残值越接近1，调查结果的精度越低，调查结果与实际值的误差越大，符合程度越小。残值越接近0，调查结果的精度越高，调查结果与实际值的误差越小，吻合度越高。实验中以残值作为实验结果，对两种地质工程勘察方法进行了对比分析。实验结果如下图所示。
从上图可以清楚的看到，基于井间弹性波CT的地质工程勘察方法的最小残值可以达到0.42δ，评价残值只有0.63δ。而传统方法的最大残值为0.96δ，平均残值为0.89δ，远高于设计方法。因此，实验证明基于跨孔弹性波CT的地质工程勘察方法比传统方法具有更高的勘察精度，更适用于地质工程勘察。
3.结论
本文研究了跨孔弹性波CT在地质工程勘察中的应用。利用跨孔弹性波CT技术扫描获取地质工程的相关信息，并对其进行处理分析，形成新的地质工程勘察方法。跨孔弹性波ct技术的应用有效克服了传统勘察方法难以准确获取深部岩体信息的困难，提高了地质工程勘察的效率和精度，有助于实现地质工程的三维空间探测，对跨孔弹性波CT在地质工程勘察中的应用具有一定的促进作用。
参考
[1]邢志强，任伟波跨孔弹性波CT技术在某船闸工程场地岩溶勘探中的应用研究[J]西部勘探项目2018，30(071)10-1165438。
[2]余晖，黄远良，王季青.跨孔弹性波CT扫描技术在岩溶地区桩基勘察中的应用[A].江苏省综合运输学会泛长三角公路发展论坛论文集. 2019 [C].江苏省综合运输学会公路分会:江苏省公路学会，2019:6。
陆泽昌，石彦超，张金财。工程地质三维建模技术及其应用研究[J]中国标准化，2019(04):104-105。
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