基于彈性波CT技術(shù)的三維模型在巖溶發(fā)育區(qū)的應(yīng)用

張琦 周杰 周天喜

摘 要 本文首先簡要介紹了彈性波CT的二維剖面的建立和三維建模，然后用實(shí)例詳細(xì)介紹了彈性波CT工作的流程和測(cè)試分析，同時(shí)對(duì)典型CT剖面進(jìn)行了解譯，對(duì)比施工驗(yàn)證結(jié)果，表現(xiàn)出其分辨率和工作效率高及空間位置準(zhǔn)確等特點(diǎn)。最后建立三維地質(zhì)模型，模擬樁基礎(chǔ)下方的巖溶分布，展示了巖溶的空間形態(tài)特征。三維模型的建立可較真實(shí)的表現(xiàn)巖溶發(fā)育的空間規(guī)律，在巖溶地區(qū)的施工和勘查中，合理的布置彈性波CT工作，科學(xué)的構(gòu)建三維模型，可有效的避免重復(fù)勘察。

關(guān)鍵詞 彈性波CT；三維建模；施工驗(yàn)證；樁基施工

中圖分類號(hào)：P631.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： The article introduced establishment of two-dimensional profile of elastic wave CT and establishment of 3D model， then it introduced working process of elastic wave CT and test analysis by living example and interpreted classical CT profile， compared with construction test result and performed its features of high resolution ratio， high working efficiency and accurate space position. Finally， 3D geologic model was established， the karst distribution under simulated pile foundation displayed spacial morphological character of karst. The establishment of 3D model can perform spacial regularity of karst development， reasonable distribution to the working of elastic wave CT and scientific 3D model construction in construction and prospecting of karst areas can avoid repeat prospecting effectively.

Keywords： Elastic wave CT； 3D modelling； Construction identification； Pile foundation construction

0引言

在我國巖溶地層分布廣泛，巖溶地區(qū)[1]的地基穩(wěn)定性是建設(shè)橋樁基礎(chǔ)的關(guān)鍵，彈性波CT法作為一種新興的物探方法在巖溶探測(cè)領(lǐng)域中已經(jīng)悄然興起。本文應(yīng)用實(shí)例對(duì)該方法在橋基探測(cè)的有效性和實(shí)用性方面進(jìn)行充分的驗(yàn)證。

彈性波CT（Computed Tomography）是地震CT當(dāng)中的一種，是地震成像的一種手段，是重要的工程物探方法之一。這種技術(shù)利用大量的地震波信息進(jìn)行專門的反演計(jì)算，測(cè)得巖土體的彈性波速分布規(guī)律。本文首先以剖面“圖像”的形式反映巖溶的分布形態(tài)及連通性，然后數(shù)據(jù)化彈性波CT剖面并結(jié)合鉆探資料構(gòu)建三維初始模型，經(jīng)過人機(jī)交互后修正完善模型，最后運(yùn)用最終構(gòu)建的模型直觀展示巖溶發(fā)育的空間形態(tài)特征。

1方法原理及技術(shù)路線

1.1 二維剖面的建立

首先通過扇形測(cè)試獲取大量的首波走時(shí)數(shù)據(jù)（ti），然后通過求解大型矩陣方程來獲取兩孔之間速度剖面圖像，根據(jù)速度剖面圖像可以直觀準(zhǔn)確地判定隱患大小分布，是目前最為有效最為精確的測(cè)試方法之一。設(shè)在成像剖面內(nèi)共測(cè)有N條射線，首先根據(jù)測(cè)試精度將破面分為M個(gè)單元（網(wǎng)格），以射線理論為基礎(chǔ)的成像方法歸結(jié)為解如下方程：

式中：dij是第i條射線在第j個(gè)單元內(nèi)的路徑長度；Sj=1/Vj是第j個(gè)單元的慢度值；ti是第i條射線的走時(shí)值。

應(yīng)用快速射線追蹤技術(shù)和SIRT算法求解上述方程，可以得到慢度值Sj的分布（即相應(yīng)的離散速度分布），從而實(shí)現(xiàn)孔間的速度場(chǎng)層析成像[2，3]。

彈性波CT法，其原理是在一個(gè)鉆孔內(nèi)激發(fā)震源，另一鉆孔接收彈性波，得到彈性波在兩孔間的傳播速度。如圖1所示，將震源定在孔口，接收檢波器串從孔口至孔底掃描一遍，然后把震源下降一定的步距，接收檢波器串再重復(fù)上述工作，直到震源下到孔底為止。拾取儀器所記錄的從每一激發(fā)點(diǎn)至對(duì)應(yīng)的每一接收點(diǎn)的地震波走時(shí)，利用拾取的地震波走時(shí)數(shù)據(jù)，采用基于惠更斯原理的網(wǎng)絡(luò)追蹤算法—最短路徑射線追蹤法，進(jìn)行反衍射線追蹤；用最小二乘或分解算法求解大型線性方程組，進(jìn)行遞歸迭代反演，從而得到被探測(cè)區(qū)域的波速圖像。

1.2 三維建模

隱式建模方法可以省去繁瑣的人工操作過程，通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)化完成建模過程，并且結(jié)果也更加精確。通過協(xié)克立格估值來進(jìn)行勢(shì)場(chǎng)域的插值，并將地質(zhì)規(guī)則運(yùn)用到了建模過程中。

技術(shù)人員利用三維地質(zhì)建模軟件能夠使用DTM[4]、剖面、地質(zhì)解釋資料、鉆孔等，并綜合考慮了構(gòu)造地質(zhì)的參數(shù)如傾角、傾向、走向、樞紐、軸面等構(gòu)建地質(zhì)體的幾何模型。專業(yè)技術(shù)人員還能夠根據(jù)其對(duì)地質(zhì)情況的理解，加入專業(yè)知識(shí)，編輯修改模型，直到模型相對(duì)合理，建模工作流程詳見圖2。

2應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

曲江大道為廣東省韶關(guān)市在建的市政道路，江灣大橋是此道路的控制性工程，全長1027 m，橋?qū)?2 m，為一座矮塔斜拉橋。此橋跨越北江，主墩位置有區(qū)域斷裂通過，基巖巖溶十分發(fā)育，橋樁設(shè)計(jì)多次變更，主橋墩設(shè)計(jì)樁長一般在70米至100米間。

場(chǎng)地地層從上而下為：沖積的粗砂、卵石、石炭系的中風(fēng)化石灰?guī)r（局部區(qū)域發(fā)育角礫巖）。下伏的石灰?guī)r巖溶極為發(fā)育，超前地質(zhì)鉆探發(fā)現(xiàn)主橋墩的鉆孔見溶率為100%，單體溶洞垂直高度一般0.2～9.2 m，平均為1.91 m；串珠狀溶洞高度一般為3.1～17.5 m，平均為10.87 m。場(chǎng)地位于北江江面的臨時(shí)棧橋上，由于下臨北江且江水所呈現(xiàn)的低阻特征對(duì)地表電流、電磁波等起屏蔽作用，因此無法采用高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)法等常規(guī)方法對(duì)場(chǎng)地的巖溶發(fā)育[5]情況做判斷?；诖耍x取鉆孔彈性CT法查明主墩身位及下方巖溶的發(fā)育情況，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)，指導(dǎo)施工。

2.2 測(cè)試工作

鉆孔布設(shè)于墩臺(tái)基礎(chǔ)四周，彈性波CT剖面線布置成矩形和交叉狀（見圖3）。物探勘探孔布置工作遵循盡量用較少的鉆孔數(shù)量，使得較多的CT剖面完全覆蓋29個(gè)設(shè)計(jì)樁位的原則。為保證彈性波CT信號(hào)接收穩(wěn)定，提高采集數(shù)據(jù)質(zhì)量，彈性波CT剖面所使用的鉆孔間距一般小于25 m?；谝陨蟽牲c(diǎn)，主墩布置CT收發(fā)孔14個(gè)（編號(hào)ZK16-1～ZK16-14），利用14個(gè)收發(fā)孔可完成28對(duì)彈性波CT探測(cè)，實(shí)現(xiàn)29個(gè)設(shè)計(jì)樁位的全覆蓋，極大地減少了鉆探工作。

2.3 測(cè)試成果分析

本次探測(cè)工作，共布置28對(duì)彈性波CT剖面，其中16#樁基位并未布置物探勘察孔，在施工中16#樁基鉆進(jìn)至標(biāo)高7.95 m，鉆孔深度49.5 m，孔內(nèi)突然出現(xiàn)漏漿、垮塌情況。16#樁基位于鉆孔ZK16-4與ZK16-3連線上，可通過分析ZK16-4與ZK16-3的彈性波CT綜合斷面圖（圖4），獲取16#橋墩的地層分布信息。分析認(rèn)為，ZK16-4與ZK16-3間的覆蓋層（粗砂、卵石）的縱波波速一般為1500～2800 m/s，中風(fēng)化石灰?guī)r波速一般大于3400 m/s，溶洞內(nèi)介質(zhì)傳播波速與所填充物質(zhì)不同有所差異，但一般小于3400 m/s。根據(jù)波速與溶洞發(fā)育帶和完整巖體的關(guān)系，可以推測(cè)16#樁基位在標(biāo)高6.98 m處發(fā)育溶洞且主要填充物為礫石，與施工中塌孔處標(biāo)高（7.95 m）極為吻合。

通過類比分析，其他27對(duì)彈性波速度剖面解譯成果與鉆探資料及施工現(xiàn)場(chǎng)揭露的地質(zhì)信息吻合程度較高，表明彈性波CT法可較好的探明巖溶發(fā)育程度、范圍、埋深及形態(tài)特征，除此之外還可獲取如覆蓋層界面、完整基巖分布、溶蝕裂隙發(fā)育帶等豐富的地質(zhì)信息。

2.4 三維建模

2.4.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

（1）鉆孔數(shù)據(jù)

建模前需要對(duì)鉆孔數(shù)據(jù)[6]進(jìn)行預(yù)處理，處理完后的鉆孔數(shù)據(jù)分為二個(gè)文件（.csv格式）：第一個(gè)文件記錄的是鉆孔的空間坐標(biāo)及深度見表1，第二個(gè)文件記錄鉆孔的地質(zhì)信息見表2。

（2）剖面數(shù)據(jù)

本次建模的區(qū)域有28個(gè)剖面數(shù)據(jù)；本次剖面數(shù)據(jù)主要是data文件格式見圖5：

（2 INTERFACES）首個(gè)數(shù)字應(yīng)該代表導(dǎo)入的地層填圖的種類；interfaces代表生成的意思；所以首行應(yīng)該是先聲明生成多少個(gè)地層，然后緊接著是表明要生成的地層分界線（INTERFACE XX LowerCover），生成的地層分界線有幾個(gè)點(diǎn)（上圖是有五個(gè)點(diǎn)組成的地層分界線），再下面是這5個(gè)地層分界點(diǎn)的坐標(biāo)，如果有地層的產(chǎn)狀，在下面標(biāo)識(shí)。5 associatedorietations表示有5個(gè)產(chǎn)狀點(diǎn)，再下面是是產(chǎn)狀點(diǎn)的坐標(biāo)（u、v）傾向和傾角。后面的數(shù)字1代表polarity；1代表Normal；-1代表Reverse（Overturn）。后面的LowerCover代表地質(zhì)填圖單位。如果沒有產(chǎn)狀點(diǎn)的話就是0 associateorientation；最后以0 FOLIATIONS結(jié)尾。

2.4.2 建模流程

（1）創(chuàng)建填圖單位并定義地層序列

創(chuàng)建地層并定義地層序列（要不同的地層用不同的顏色來表示），整合接觸的地層歸并到同一地層序列中，并定義地層序列之間的接觸關(guān)系（Onlap和Erod），生成地層柱狀圖。地質(zhì)規(guī)則體現(xiàn)在柱狀圖中。

（2）導(dǎo)入鉆孔數(shù)據(jù)

導(dǎo)入鉆孔數(shù)據(jù)，使鉆孔在三維立方體中顯示。導(dǎo)入了鉆孔數(shù)據(jù)后就可以從二維和三維的角度來查看鉆孔上的一些特征。鉆孔分布和所在位置的高度（圖6）、還有鉆孔上的顏色，有的鉆孔只有一個(gè)顏色，有的有許多顏色，顏色代表地層。證明有的鉆孔上只有一個(gè)地層，而有的鉆孔上有多個(gè)地層。

（3）創(chuàng)建剖面

導(dǎo)入或繪制剖面（圖7），為后面導(dǎo)入剖面數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備。

（4）導(dǎo)入剖面數(shù)據(jù)

在剖面圖中導(dǎo)入相對(duì)應(yīng)的剖面數(shù)據(jù)和添加相對(duì)應(yīng)的產(chǎn)狀點(diǎn)見圖8。接觸點(diǎn)數(shù)據(jù)用來說明空間中地質(zhì)界面的分布，產(chǎn)狀點(diǎn)數(shù)據(jù)用來說明空假中地質(zhì)界面的變換規(guī)律。出露的地層可以直接在地形表面添加接觸點(diǎn)數(shù)據(jù)和產(chǎn)狀數(shù)據(jù)，不出露的地層需要首先找到哪些鉆孔上有這些不露出地層的信息，然后劃定經(jīng)

過這些鉆孔的剖面（剖面線的軌跡可以是曲線），再將鉆孔投影到二維的剖面圖中，最后在剖面圖中根據(jù)鉆孔的分層信息添加這些不出露地層的接觸點(diǎn)和產(chǎn)狀點(diǎn)數(shù)據(jù)。

（5）計(jì)算模型

當(dāng)全部的額數(shù)據(jù)導(dǎo)入到模型中后，就可以選擇一部分?jǐn)?shù)據(jù)或者全部數(shù)據(jù)來建立模型[7]，建立完模型以后，當(dāng)鉆孔數(shù)據(jù)與剖面等其他數(shù)據(jù)矛盾時(shí)，以鉆孔數(shù)據(jù)為主。因?yàn)殂@孔數(shù)據(jù)擁有更高的可靠性。同時(shí)，將鉆孔數(shù)據(jù)投影到剖面上后，修正剖面上的不一致性數(shù)據(jù)。

以實(shí)測(cè)和收集該區(qū)域本次物探勘查的鉆孔柱狀圖、彈性波CT解譯成果等數(shù)據(jù)為主，輔以超前水平鉆勘查成果，建立數(shù)據(jù)倉庫，采用動(dòng)態(tài)、分級(jí)建立模型的技術(shù)，選擇地層精細(xì)程度，在建模參數(shù)設(shè)置后，自動(dòng)建立模型，加以人機(jī)交互修改完善，使之與實(shí)際地質(zhì)情況相吻合。

圖9為江灣大橋主墩巖溶發(fā)育分布三維成果圖，根據(jù)巖溶主要發(fā)育區(qū)域按標(biāo)高和空間形態(tài)、位置等關(guān)系，巖溶發(fā)育區(qū)劃分為三個(gè)主要發(fā)育層位：

標(biāo)高10～-20 m，巖溶發(fā)育呈不規(guī)則形態(tài)，主要分布在勘查區(qū)的東西兩側(cè)，中部弱發(fā)育，其中西部巖溶發(fā)育強(qiáng)度、規(guī)模和深度強(qiáng)于東部。

標(biāo)高-20～-40 m，巖溶發(fā)育呈現(xiàn)不規(guī)則和部分連續(xù)發(fā)育特征，主要位于勘查區(qū)的東部和中部，西部弱發(fā)育，東部和中部溶洞或串珠狀溶洞連通性較好，巖溶發(fā)育埋深呈東“淺”西“深”趨勢(shì)。

標(biāo)高-40～-50 m，巖溶發(fā)育深度較大，主要分布于勘查區(qū)的中部，巖溶埋深較大。

3 結(jié)論

工程實(shí)踐表明，彈性波CT法可精確查明基巖面的埋深、形態(tài)起伏、溶洞分布形態(tài)及溶蝕裂隙發(fā)育范圍。通過鉆探結(jié)果的驗(yàn)證，有較好的吻合性，在項(xiàng)目實(shí)施和設(shè)計(jì)中，可作為優(yōu)化設(shè)計(jì)和指導(dǎo)施工的依據(jù)。通過彈性波CT剖面構(gòu)建的三維模型，能更加形象生動(dòng)、宏觀的認(rèn)識(shí)巖溶發(fā)育的整體形態(tài)，利于信息化施工。彈性波CT法克服了工程鉆探中“以點(diǎn)帶面”的不足，采用鉆探與彈性波CT相結(jié)合的方法，可避免重復(fù)勘察，同時(shí)科學(xué)的布置彈性波CT剖面，可大量的減少鉆探工作量，從而降低工程造價(jià)。

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