跨孔彈性波CT技術(shù)在某船閘工程場地巖溶勘探中的應(yīng)用研究

邢慶祝，楊志強，任衛(wèi)波

（廣東省華南工程物探技術(shù)開發(fā)總公司，廣東廣州510510）

1 概述

在巖溶發(fā)育地區(qū)開展工程建設(shè)，如無法探明溶洞及溶蝕裂縫發(fā)育情況，盲目施工，必然會給施工及建筑工程安全帶來隱患。目前常規(guī)的巖溶勘探多采用地質(zhì)鉆探或地面物探[1]。局部勘探也有采用管波技術(shù)的[2]?？缈讖椥圆–T技術(shù)在一個孔內(nèi)激發(fā)信號，在另一個或多個孔內(nèi)多道同時接收信號，具有能量傳播的距離短、接近探測目標、避開低速帶等特點，能夠提供高分辨率圖像的優(yōu)勢。近年來在巖溶勘探、裂隙帶勘探、采空區(qū)勘探及混凝土構(gòu)件和堤壩滲墻質(zhì)量檢測等工程地質(zhì)領(lǐng)域得到了應(yīng)用[1-8]。但其存在的問題也不容無視，例如，因為其激發(fā)信號能量的有限性，跨孔距離受限；需要成對鉆孔，鉆孔工作量大，勘探時間延長，勘探成本增加。此外，在成果資料解釋時也存在諸多問題，本文中筆者將結(jié)合工程實例，在鉆探與管波勘探資料對比驗證下，就該技術(shù)在巖溶勘探應(yīng)用時成果解釋中存在的問題進行了重點分析和探討。

2 跨孔彈性波CT技術(shù)

跨孔彈性波CT技術(shù)也稱跨孔彈性波層析成像技術(shù)。層析成像技術(shù)包括基于射線理論的初至走時層析成像技術(shù)和基于波動理論的層析成像技術(shù)（也稱波形層析成像技術(shù)）[9]，使用較多的還是基于射線理論的初至走時層析成像技術(shù)。實際勘探工作中，根據(jù)得到兩孔間激發(fā)點和接收點的走時，先假定一個初始的介質(zhì)慢度模型，用正演方法計算出理論走時，并進行射線追蹤，構(gòu)造出射線路徑矩陣，求出理論走時與實際走時之差，形成時間殘差矩陣，從而形成反演方程，用反演方法求解該方程，即可得出介質(zhì)的近似速度分布，構(gòu)建兩孔間的速度剖面圖像。

3 工程實例分析

某船閘工程場地地處灰?guī)r地區(qū)，前期勘察發(fā)現(xiàn)巖溶發(fā)育，已發(fā)現(xiàn)的溶洞基本都有固態(tài)充填物，以含礫粗砂為主，少量卵石。地下水位較淺，溶洞內(nèi)固態(tài)填充物為飽水狀態(tài)。為詳細了解該區(qū)域巖溶發(fā)育情況，在開展了跨孔彈性波CT技術(shù)勘探的同時，采取鉆探和管波探測技術(shù)進行了勘探。

結(jié)合鉆探和管波勘探結(jié)果，將本場地巖土層分為4類：（1）覆蓋層，波速小于2800m/s；（2）溶蝕裂隙發(fā)育區(qū)波速在2800～4500m/s；（3）巖溶發(fā)育區(qū)（有固體充填物），波速小于2800m/s；（4）完整基巖（中風(fēng)化），波速大于4500m/s。根據(jù)分類結(jié)果，對波速影像進行地質(zhì)解釋，形成最終的成果圖。其中A、C區(qū)的成果圖及鉆孔平面示意圖見圖1。

從圖1可以看出，A、C區(qū)巖溶發(fā)育情況差異大，C區(qū)巖溶發(fā)育強烈，A區(qū)局部巖溶發(fā)育強烈。A、C區(qū)基巖頂面起伏均較大，形態(tài)陡峭，其中A區(qū)高程在10.2～26.5m之間，基巖埋深5.7～22.0m之間，A 003孔與A 004孔之間、A 004孔與A 001孔之間巖溶強烈發(fā)育，且基本連通；C區(qū)高程在10.2～21.1m之間，基巖埋深12.6～24.6m之間，該區(qū)溶蝕裂隙強烈發(fā)育，巖溶強烈發(fā)育，且規(guī)模大。

圖1 A、C試驗區(qū)成果圖及鉆孔平面示意圖

經(jīng)過與鉆探資料和管波資料對比分析，跨孔彈性波層析成像技術(shù)結(jié)果與鉆孔、管波資料基本吻合。但在成果解釋時有幾個問題應(yīng)引起重視：

（1）跨孔彈性波層析成像技術(shù)探測兩孔間巖溶區(qū)情況時，應(yīng)注意其分辨率問題。對于鉆探揭露的小溶洞和溶蝕裂隙帶，跨孔彈性波CT成像圖上可能沒有明顯反映，如A 003孔高程22.9～24.2m范圍內(nèi)鉆探發(fā)現(xiàn)有溶洞存在，但跨孔彈性波層析成像技術(shù)時波速偏高；

（2）根據(jù)成像原理，在均勻介質(zhì)條件下，反演的巖土層波速與巖土層真實波速相近，在非均勻介質(zhì)條件下，反演的巖土層波速受平均效應(yīng)的影響，反演的巖土波速會受到較大影響。例如，對于A區(qū)，灰?guī)r相對完整，波速較高，成像時，溶洞波速相對也較高，而對于C區(qū)，裂隙發(fā)育，地層復(fù)雜，反演出的溶洞波速相對A區(qū)溶洞波速明顯較低；

（3）淺層基巖面附近溶洞填充物與第四系松散層波速相近，跨孔彈性波CT成像時難以準確區(qū)分。例如，C001-C004剖面上，C001鉆孔資料和管波資料均顯示在高程11.6m以上為土層，10.3～11.6m為中風(fēng)化灰?guī)r，6.7～10.3m為溶洞，可是從成像圖上很難識別出中風(fēng)化灰?guī)r段，更難將溶洞和土層區(qū)分開。

4 結(jié)束語

在巖溶地區(qū)進行勘探，采用跨孔彈性波CT技術(shù)，可以克服常規(guī)工程鉆探“一孔之見”的不足和地面工程物探勘探難于詳細描述巖溶的形態(tài)及垂向發(fā)育深度的不足。但其本身存在的問題也不容忽視，例如勘探范圍有限，成本相對較高，分辨率有限，非均勻介質(zhì)條件下反演的巖土層波速所受平均效應(yīng)影響較大，淺層基巖面附近溶洞填充物與第四系松散層波速相近，存在難以準確區(qū)分等問題。在實際應(yīng)用該技術(shù)時，只有充分認識其存在的問題，才能更充分地發(fā)揮其作用，更有效地尋求解決辦法，不斷推進技術(shù)的發(fā)展。

[1]邱慶程,李偉和.跨孔地震CT層析成像在巖溶勘察中的應(yīng)用[J].物探與化探,2001,25(3)：236-240.

[2]劉世奇.地震CT和管波在長昆線巖溶勘察中應(yīng)用研究[J].鐵路建筑技術(shù),2015,32(10)：74-77.

[3]毛先進,陳紹青,楊玲英,等.地震CT技術(shù)在復(fù)雜巖溶壩基滲漏探測工程中的應(yīng)用[J].地震研究,2008,31(2)：171-173.

[4]潘紀順,宋朝陽,冷元寶,等.地震波CT在混凝土防滲墻質(zhì)量檢測中的應(yīng)用[J].CT理論與應(yīng)用研究,2016,25(3)：311-317.

[5]孫文懷,劉偉,李長征,等.地震波CT在塑性混凝土防滲墻檢測中的應(yīng)用[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報,2013,34(1)：83-89.

[6]王建軍,曹建偉.應(yīng)用井間地震CT探測某橋墩基礎(chǔ)處斷裂[J].資源環(huán)境與工程,2008,22(2)：89-91.

[7]毛星.地震波CT在注漿效果檢測評價中的應(yīng)用[J].物探與化探,2012,36(1)：154-157.

[8]陳志超,羅旋,郭云峰,等.跨孔地震CT層析成像在盾構(gòu)隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用[J].工程地質(zhì)學(xué)報,2015,23(S)：773-777.

[9]楊文采.地球物理反演和地震層析成像[M].北京：地質(zhì)出版社,1989：3-5.