精細(xì)物探方法在巖溶區(qū)公路橋基選址中的應(yīng)用

摘" 要：該文以精細(xì)物探方法——地震波CT法在巖溶區(qū)公路橋基選址中的應(yīng)用為研究主題，首先對(duì)巖溶地區(qū)的特殊地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行分析，闡述巖溶地區(qū)地質(zhì)條件的復(fù)雜性和不確定性。然后詳細(xì)介紹跨孔地震波CT法在巖溶區(qū)公路橋基選址中的具體應(yīng)用。通過(guò)實(shí)際工程案例，分析跨孔地震波CT法在巖溶區(qū)公路橋基選址中的優(yōu)勢(shì)和效果，如提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性、降低施工風(fēng)險(xiǎn)等。最后，對(duì)巖溶區(qū)公路橋基選址中的精細(xì)物探方法的應(yīng)用前景進(jìn)行展望，提出進(jìn)一步研究的方向和改進(jìn)的建議。

關(guān)鍵詞：公路工程；精細(xì)勘探；跨孔地震波CT法；隱伏巖溶；橋基

中圖分類(lèi)號(hào)：U443.16" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）36-0149-04

Abstract： This paper takes the application of fine geophysical exploration method-seismic wave CT method in site selection of highway bridge foundations in karst areas as the research theme. First， the special geological environment of karst areas is analyzed and the complexity and uncertainty of geological conditions in karst areas are expounded. Then the specific application of cross-hole seismic wave CT method in site selection of highway bridge foundations in karst areas is introduced in detail. Through practical engineering cases， the advantages and effects of cross-hole seismic wave CT method in site selection of highway bridge foundations in karst areas are analyzed， such as improving prediction accuracy and reducing construction risks. Finally， the application prospects of fine geophysical prospecting methods in site selection of highway bridge foundations in karst areas are prospected， and further research directions and improvement suggestions are put forward.

Keywords： highway engineering; fine exploration; cross-hole seismic wave CT method; concealed karst; bridge foundation

巖溶地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，地下溶洞、暗河等發(fā)育給公路工程帶來(lái)諸多問(wèn)題，如路基不穩(wěn)、隧道涌水等。因此，巖溶勘察成為公路工程的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的勘察方法如鉆探、硐探等存在一定的局限性，難以全面、準(zhǔn)確地揭示巖溶分布特征。在巖溶區(qū)進(jìn)行公路橋基選址時(shí)，由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性和不確定性，需要采用精細(xì)的物探方法獲取準(zhǔn)確的地質(zhì)信息?？缈椎卣鸩–T法作為一種常用的精細(xì)探測(cè)物探技術(shù)，通過(guò)地震波的跨孔成像，能夠重建巖土介質(zhì)的波速分布圖像，從而提供有關(guān)地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖溶發(fā)育情況等重要信息[1]。

本文介紹了跨孔地震波CT法的基本原理，然后通過(guò)實(shí)際工程案例分析，探討了該方法在巖溶勘察中的應(yīng)用效果，最后對(duì)跨孔地震波CT法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，并提出了改進(jìn)方向。

1" 方法原理

1.1" 跨孔地震波CT原理

跨孔地震波CT法，即跨孔地震波層析成像技術(shù)，是一種基于地震波傳播原理的地球物理勘探方法。該技術(shù)通過(guò)在2個(gè)或多個(gè)鉆孔之間發(fā)射和接收地震波，記錄地震波的傳播路徑和走時(shí)，然后利用這些數(shù)據(jù)重建地下介質(zhì)的速度分布圖像[2]。

跨孔地震波CT法的原理主要包括以下幾個(gè)方面。

1.1.1" 地震波的傳播特性

地震波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)受到地下介質(zhì)物理屬性（如彈性模量、密度、波速等）的影響。不同類(lèi)型的地下介質(zhì)具有不同的波速和傳播特性，因此，通過(guò)研究地震波的傳播特性，可以推斷地下介質(zhì)的物理屬性。

1.1.2" 地震波的發(fā)射和接收

在跨孔地震波CT法中，地震波的發(fā)射和接收分別通過(guò)鉆孔進(jìn)行。地震儀固定在鉆孔中，用于發(fā)射和接收地震波。發(fā)射的地震波通過(guò)地下介質(zhì)傳播，到達(dá)另一個(gè)鉆孔并被接收。記錄下地震波的傳播路徑和走時(shí)。

1.1.3" 地震波走時(shí)的觀測(cè)與重建

地震波走時(shí)的觀測(cè)是跨孔地震波CT法的核心。通過(guò)對(duì)發(fā)射和接收地震波的走時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量和記錄，可以得到地下介質(zhì)的波速分布。利用走時(shí)數(shù)據(jù)，結(jié)合地下介質(zhì)的物理屬性，可以重建地下介質(zhì)的波速圖像[3]。

1.1.4" 波速與地下介質(zhì)的物理屬性關(guān)系

地震波的波速與地下介質(zhì)的物理屬性密切相關(guān)[4]。波速與介質(zhì)的彈性模量、密度等因素有關(guān)。通過(guò)分析波速圖像，可以推斷地下介質(zhì)的物理屬性分布，從而為公路工程巖溶勘察提供有力依據(jù)（圖1）。

1.2" 跨孔地震波CT法走時(shí)反演原理

主要采用初至波層析成像技術(shù)，通過(guò)采集地震波初至信息，經(jīng)過(guò)一系列反演計(jì)算得到地質(zhì)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及各層介質(zhì)中的大致速度。

初至波走時(shí)層析成像的關(guān)鍵是求解層析方程組，在鉆孔中設(shè)置一系列激發(fā)點(diǎn)，另一鉆孔安置檢波器，利用接收到的初至波旅行時(shí)間，通過(guò)SIRT算法對(duì)該方程組進(jìn)行求解，得到該剖面的慢度（速度的倒數(shù)）函數(shù)[5]。

對(duì)探測(cè)區(qū)域進(jìn)行離散化，設(shè)其從發(fā)射到接收射線的旅行時(shí)間為T(mén)i，其某炮的旅行初至?xí)r間可以寫(xiě)成以下積分形式，如公式（1）所示

式中：S（X，Y）是點(diǎn)（X，Y）處的慢度；ds是沿直線路徑的微分長(zhǎng)度。

假設(shè)離散化的單元個(gè)數(shù)為N，則每個(gè)單元慢度分別可以記為S1、S2、...Sn，射線在每單元的旅行路徑假設(shè)為直線，這樣，第i個(gè)射線的旅行時(shí)就可以表示為

Ti=aijS，（2）

式中：aij表示第i條射線穿過(guò)第j個(gè)網(wǎng)格的長(zhǎng)度，圖中表示為線段FD。當(dāng)有大量射線穿過(guò)該區(qū)域時(shí)，根據(jù)公式（2）就可以得到關(guān)于未知量Sj的M個(gè)方程Ti，寫(xiě)成矩陣形式的如公式（3）所示。

可記為AS=T，其中A=（aij）M×N稱(chēng)為距離矩陣，T=（Ti）M×1為旅行時(shí)向量，S=（Si）M×1為慢度列向量。通過(guò)求解公式（3）方程組就可以得到離散慢度分布，從而實(shí)現(xiàn)鉆孔間的速度分布。

2" 工程應(yīng)用

目前，我國(guó)公路交通建設(shè)進(jìn)程愈來(lái)愈快，其中公路橋梁建設(shè)在諸多地方全面展開(kāi)。巖溶地區(qū)地質(zhì)復(fù)雜，橋梁樁基承載力不穩(wěn)定，會(huì)影響工程安全。在施工前采用合適的巖溶探測(cè)技術(shù)準(zhǔn)確探測(cè)巖溶發(fā)育情況，是順利完成橋梁施工的關(guān)鍵之一。

2.1" 地質(zhì)概況

橋址區(qū)地貌類(lèi)型為侵蝕、剝蝕丘陵地貌，以農(nóng)田、樹(shù)林為主，擬建橋梁跨越箭穿河，地勢(shì)稍有起伏，高差較小，地面標(biāo)高77.24～81.95 m。

根據(jù)鉆孔資料顯示：橋址區(qū)覆蓋層主要為第四系人工填土、粉質(zhì)黏土，下伏基巖以灰?guī)r為主，巖溶較為發(fā)育。地下溶洞內(nèi)部以及巖溶裂隙中固態(tài)填充物一般為黏土和少量巖屑，且大部分溶洞內(nèi)部處于富水狀態(tài)。通過(guò)鉆孔縱波測(cè)試技術(shù)得到：上部黏土夾碎石土的地震縱波速度一般低于2 500 m/s；下部未受風(fēng)化和溶蝕作用的完整灰?guī)r地震縱波速度普遍高于4 500 m/s；巖溶裂隙發(fā)育和較破碎灰?guī)r的地震縱波速度在3 500～4 500 m/s；極破碎巖體或以粉質(zhì)黏土為主的碎石土充填溶洞的地震縱波速度在2 500～3 500 m/s。由此可以推測(cè)出，底部完整灰?guī)r，上部黏土夾碎石土層與巖溶異常體之間存在著明顯的波速差異。

2.2" 跨孔地震波CT法的技術(shù)應(yīng)用

2.2.1" 數(shù)據(jù)采集與處理

地震波CT法測(cè)試采用兩邊觀測(cè)系統(tǒng)、定點(diǎn)扇形掃描方式；采用電火花震源在一孔激發(fā)地震波、另一孔利用12或24道串珠狀檢波器接收地震波，串珠狀檢波器及電火花發(fā)射源均以水與孔壁巖體耦合；檢波器點(diǎn)距和炮點(diǎn)間距均1 m，每5 m校核激發(fā)點(diǎn)深度；測(cè)試自下而上進(jìn)行，測(cè)試時(shí)先固定檢波器串，在激發(fā)孔中逐點(diǎn)激發(fā)并觀測(cè)接收地震波，激發(fā)點(diǎn)與檢波器的最大仰、俯角約45°；當(dāng)激發(fā)點(diǎn)與檢波器的最大仰、俯角達(dá)到設(shè)計(jì)值并完成觀測(cè)后，將檢波器串提升11 m或23 m并固定，移動(dòng)激發(fā)點(diǎn)在設(shè)計(jì)孔深范圍內(nèi)重新開(kāi)始逐點(diǎn)激發(fā)觀測(cè)；測(cè)試時(shí)間采樣率0.04 ms，采樣長(zhǎng)度1 024 m，記錄長(zhǎng)度40.96 ms；全通濾波；采用的最大發(fā)射電壓視現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)際情況而定，一般不小于4 000 V。

該橋址區(qū)一共完成跨孔地震波CT法7對(duì)。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)初至波拾取、反演成圖等處理工作，與鉆孔資料相結(jié)合分析得到速度剖面圖，查明基巖中巖溶發(fā)育情況。鉆孔3011—3012與鉆孔3015—3016初至波拾取結(jié)果如圖2、3所示。

2.2.2" 成果綜述

鉆孔3011-3012跨孔地震波CT反演波速與鉆孔地質(zhì)解釋聯(lián)合剖面如圖4所示。

鉆孔TZK3011與TZK3012孔間地震波CT法反演剖面走向?yàn)镹E6°。鉆孔頂角分別為1.2°和1.1°，孔間距為25.07 m。

測(cè)試范圍內(nèi)，高程71.8～72.5 m以上，地震縱波速度小于2 500 m/s，推測(cè)為素填土、卵石土等覆蓋層的反映。覆蓋層以下，地震縱波速度小于3 500 m/s，推測(cè)為強(qiáng)溶蝕發(fā)育帶；3 500～4 500 m/s推測(cè)為弱溶蝕發(fā)育帶。其中，地震縱波速度2 500～3 500 m/s，推測(cè)為破碎灰?guī)r或全充填溶洞的反映，結(jié)合地質(zhì)資料分析，探測(cè)區(qū)域內(nèi)，無(wú)明顯溶洞發(fā)育跡象，推測(cè)為破碎灰?guī)r的可能性較大，打樁過(guò)程中，需提前做好措施，以防發(fā)生塌孔；地震波速度3 500～4 500 m/s，推測(cè)為溶蝕裂隙發(fā)育或破碎～較破碎灰?guī)r的反映，裂隙充填泥質(zhì)，探測(cè)區(qū)域內(nèi)，主要發(fā)育在高程59.94 m以上，橫向延展范圍較大。

地震波縱波速度4 500～6 000 m/s，推測(cè)為較完整～完整灰?guī)r的反映。

鉆孔3015-3016跨孔地震波CT反演波速與鉆孔地質(zhì)解釋聯(lián)合剖面如圖5所示。

鉆孔TZK3015與TZK3016孔間地震波透射法反演剖面走向?yàn)镹E6°。鉆孔頂角分別為0.8°和0.7°，孔間距為25.27 m。

基巖分界面位于左側(cè)高程71.31 m傾至右側(cè)高程70.29 m，右側(cè)覆蓋層包含全分化泥質(zhì)砂巖，地震縱波速度小于2 500 m/s，基巖分界面起伏情況與鉆孔地質(zhì)剖面基本吻合覆蓋層以下，地震縱波速度小于3 500 m/s，推測(cè)為強(qiáng)溶蝕發(fā)育帶；3 500～4 500 m/s推測(cè)為弱溶蝕發(fā)育帶。其中地震縱波速度2 500～3 500 m/s，推測(cè)為破碎灰?guī)r或全充填溶洞的反映，主要發(fā)育在左側(cè)高程68.31～70.31 m和右側(cè)高程65.09～68.69 m，橫向發(fā)育寬度2～5 m；地震波速度3 500～4 500 m/s，推測(cè)為溶蝕裂隙發(fā)育或破碎～較破碎灰?guī)r的反映，裂隙充填泥質(zhì)，主要發(fā)育在高程60.49 m以上，橫向延展范圍較大，目前處于安全狀態(tài)。但應(yīng)當(dāng)考慮到其發(fā)育潛能，若與周邊巖溶發(fā)育區(qū)域相通，則會(huì)引發(fā)塌陷事故。

地震波縱波速度4 500～6 000 m/s，推測(cè)為較完整～完整灰?guī)r的反映。

將跨孔地震波CT法應(yīng)用于公路工程橋梁樁基巖溶發(fā)育探測(cè)中，得到地震波反演波速與鉆孔地質(zhì)解釋聯(lián)合剖面圖，能夠有效地解決了地下巖溶的探測(cè)問(wèn)題，對(duì)橋址區(qū)域可能產(chǎn)生的不良巖溶病害進(jìn)行了較為精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)。

3" 結(jié)論

本文針對(duì)跨孔地震波CT法在公路工程巖溶勘察中的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，通過(guò)分析跨孔地震波CT法的原理及其優(yōu)勢(shì)，結(jié)合實(shí)際工程案例，探討了該方法在巖溶勘察中的應(yīng)用效果和價(jià)值。

研究表明，跨孔地震波CT法具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：

1）較高的探測(cè)精度：跨孔地震波CT法通過(guò)地震波走時(shí)反演，能夠精確地重建地層介質(zhì)的波速分布圖像，從而揭示地層結(jié)構(gòu)特征。

2）自動(dòng)成像：跨孔地震波CT法能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)成像，提高數(shù)據(jù)處理效率。

3）能量可擴(kuò)展：電火花震源的能量可從1 WJ調(diào)整至80 WJ，滿足不同跨孔寬度探測(cè)需求。

本文通過(guò)實(shí)際案例分析，證明了跨孔地震波CT法在公路工程巖溶勘察中的高效性和準(zhǔn)確性。

然而，跨孔地震波CT法在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一定的局限性，如探測(cè)距離較短、受介質(zhì)特性影響較大等。因此，在未來(lái)的研究中，需要進(jìn)一步完善跨孔地震波CT技術(shù)，提高探測(cè)距離和可靠性，使其在公路工程巖溶勘察中發(fā)揮更大的作用。

總之，跨孔地震波CT法作為一種高分辨率層析成像技術(shù)，在公路工程巖溶勘察中具有廣泛的應(yīng)用前景。通過(guò)不斷優(yōu)化和改進(jìn)，該方法將為我國(guó)公路工程巖溶勘察提供更加高效、準(zhǔn)確的技術(shù)支持。

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