巖溶地區(qū)地下溶洞勘測探究

許廣文 陳 軍

（1、杭州蕭山城市建設投資集團有限公司，浙江 杭州 310012 2、浙江省地礦勘察院有限公司，浙江 杭州 310012）

隨著城市后進度的加快，對地下空間的利用日益增加，隨之而來的地下空間安全問題越來越成為關注點。地下發(fā)育的巖溶對地下空間的開發(fā)會造成諸多安全隱患，例：施工過程中會引起溶洞塌方、滲漏水和等現象，對施工進度甚至施工人員的安全造成影響[1-2]。

近年來，彈性波CT 技術已經廣泛應用于溶洞的探測，是地下空間開發(fā)利用的重要技術支撐。

例如，苗慶庫等[3]利用CT 技術對京滬、銅九線等進行了巖溶探測，在巖溶勘察上取得了良好的應用效果；談順佳等[4]將鉆探和CT 相結合，獲得了佛山某地鐵區(qū)域巖溶發(fā)育的分布規(guī)律；李衛(wèi)衛(wèi)等[5]對影響跨孔地震波初至CT 成像精度的3 個因素（孔間距、巖溶尺寸及水平間距）開展了正反演研究；趙庚亮等[6]采用鉆芯和室內試驗確定了地層及溶洞的物理力學參數,結合有限元軟件Midas GTS 確定了溶洞與地鐵車站、盾構隧道的安全距離，提出了巖溶區(qū)軌道交通溶洞處治范圍及處治措施, 并研究了溶洞的處治效果。

1 工程概況

風情大道改建工程項目位于杭州市，風情大道主線工程位于現狀風情大道地面道路，北起浙贛鐵路代建段，南至現狀湘湖隧道；風彩互通立交位于風情大道與彩虹大道交叉路口。根據地質勘察報告，本場地地下主要為覆蓋型巖溶，對高架橋樁基施工會產生較大影響，本項目采用的鉆孔彈性波CT 方法能夠在施工前提前知曉溶洞的形態(tài)、規(guī)模和位置，并確切地劃定出鉆孔之間的斷層破碎帶區(qū)域和巖溶發(fā)育異常區(qū)域。技術路線圖如圖1 所示。

圖1 技術路線圖

2 彈性波CT 方法原理

彈性波CT 能夠在不損壞物體的前提下，得到物體內部的物理參數分布、幾何形態(tài)等信息。它通過扇形測試獲得首波走時數據（ti），然后通過求解大型矩陣方程得到兩孔之間速度剖面圖像，根據速度剖面圖像可以直更觀準確地判定物體內部的大小分布。彈性波CT 還能通過接收炮點與檢波點之間的地震波旅行時間，得到勘探區(qū)域的速度結構。在得知某種地震波的旅行時間的情況下還能求解出地下介質的速度場。地震波的旅行時間的計算公式可表示為：

其中，S(x,z)是指地下介質的慢度函數，dl 是指波的射線路徑的微分，T 是指地震波從震源s 到檢波點r 的走時。把（1）式離散后，可用如下的矩陣形式表示：

式中T 表示為所有炮點到檢波點的旅行時矩陣，S是指地下介質的慢度矩陣，A 表示為與地震波傳播射線路徑有關的距離矩陣。

如圖2 是地震CT 成像的工作示意圖，其觀測方式由兩種：一是一孔激發(fā)，另外一孔多道接收，二是一孔激發(fā)多孔接收。

圖2 彈性波CT 工作示意圖

3 彈性波CT 資料處理

針對實際工程數據處理，得到的資料處理流程如圖3。

圖3 彈性波CT 資料處理流程

原始資料總體表現為：記錄面貌良好，信噪比及分辨率較高，初至較清晰，連續(xù)性好，但巖溶發(fā)育區(qū)域會出現初至延遲及能量變弱不連續(xù)的現象。

3.1 初至拾取

數據處理中，初至的拾取至關重要，因為地震層析成像的方法，是根據初至時間，進一步反演地層速度，因此在初至拾取中，保證拾取的原則一致，如統(tǒng)一拾取初始起跳位置或者波峰位置，保證數據的一致性。

3.2 成像處理

成像處理是彈性波CT 資料處理的關鍵步驟，有利于準確的進行構造分析、地層層位的研究以及巖溶發(fā)育區(qū)的空間變化。

將多個鉆孔聯合，可以進行三維鉆孔空間聯合反演成像，并將三維速度體及鉆孔、勘察孔、樁位等信息綜合顯示，部分三維速度體顯示如圖4 所示。

圖4 地震CT 多孔聯合成像三維數據體

4 彈性波CT 資料解釋

基于彈性波CT 方法的原理特點，結合本工程的探測任務，分析得到本場區(qū)內溶洞和溶蝕裂隙屬于地質異常體，根據前期的地勘報告可知，本區(qū)溶洞填充物大多為軟塑～軟可塑狀黏性土或含碎石黏土，采用該介質填充的溶洞相對與圍巖介質的波速較低，反演得到的波速剖面圖中的低速體為探測異常，溶洞產生的低速異常與圍巖存在波速上的差異。表1 對本區(qū)中的巖層，給出了常見巖土及巖體的波速數值。

表1 常見巖土波速表

當探測剖面之間有溶洞發(fā)育時，整體速度特征發(fā)生變化，表現為速度的降低，WT33 鉆孔和鉆孔WT34 在打鉆過程中均發(fā)現溶洞異常，圖5 為WT33～WT34 鉆孔彈性波CT 剖面圖。

圖5 中可清晰直觀的反應巖溶發(fā)育情況及范圍，其中WT33 鉆孔和WT34 鉆孔均在基巖中揭露巖溶，對應彈性波CT 剖面中速度區(qū)域為800m/s～1500m/s。下部完整基巖地震波速度相對較高。

圖5 鉆孔WT33～WT34 彈性波CT 速度剖面

當巖性均勻分布且突變不明顯時，應當為層狀速度分布的波速圖，即由淺部至深部，速度也由小到大遞增，若剖面之間無巖溶發(fā)育，則基巖面分布規(guī)律較明顯，且剖面中無明顯溶洞發(fā)育的低速異常。

根據以上異常的范圍及位置分析并結合實際巖石的速度，可大致確定本次彈性波CT 對地層解釋的速度范圍：巖溶發(fā)育區(qū)域地震波速度在800～1200m/s 之間，1200m/s-1500m/s 之間為巖溶附近溶蝕裂隙影響區(qū)，基巖面以下完整灰?guī)r速度在3800m/s～5000m/s 之間，破碎帶在基巖中的破碎程度，膠結物及其膠結程度是影響地震波在破碎帶中傳播速度的重要因素，但是地震波在破碎帶中的傳播速度是介于溶洞和完整基巖的，其速度范圍為1500m/s～5000m/s，同時破碎帶的判定需根據鉆孔實際揭露及剖面間速度等值線的變化綜合判定。

5 結論

本區(qū)探測范圍內巖溶發(fā)育區(qū)地震波速度在800～1200m/s 之間，1200m/s～1500m/s 之間為巖溶附近溶蝕裂隙影響區(qū)，基巖面以下完整灰?guī)r速度在3800m/s～5000m/s 之間。

本次探測結果中各剖面的溶洞異常已被鉆孔揭露，尚存在未揭露部分可能是剖面之間的巖溶發(fā)育區(qū)或溶溝發(fā)育區(qū)，需通過打鉆進一步驗證其特性。