跨孔地震CT在城市巖溶勘察中的應用

何耀京

(廣東核力工程勘察院 ,廣東 廣州 510800)

跨孔地震CT技術(地震波層析成像技術)被認為跨孔高精度地層結構成像探測的有效方法之一。該方法主要利用不同地層波速差異，通過某個鉆孔激發地震波，另一鉆孔通過地震檢波器接收地震直達波，然后通過抽道疊加方式實現速度CT成像從而達到探測井間地質目標體的物理特性和幾何分布形態。該方法已經在采空區[1]、路基[2]、隧道[3]等方面精細探測中得到廣泛應用。為此，本文將該方法引入到商業區地基巖溶勘探中，通過已有的25個鉆孔的跨孔地震CT探測，實現研究區的三維立體探測，為后續溶洞處理和基礎設計、施工提供充分依據。

1 研究區概況

某開發公司決定在廣州某中央商務區建設數碼產業總部商業樓，設計高度超過300m，為附近的地標性建筑。建設地區屬于灰巖溶洞發育地區，同時根據前期超前鉆資料表明商業樓的20個超前鉆探孔中有5個鉆孔揭露溶洞，見洞率25%，溶洞洞高1.9m至3.1m。為此，需要查明該區域溶洞的分布情況，為后續溶洞處理和基礎設計提供依據。

本場地揭露的溶洞一般充填少量礫巖碎塊、粘土，部分溶洞無充填物。鑒于本場地溶洞位于地下水水位以下，溶洞內固態充填物一般飽和含水，無固態充填物的溶洞內一般均充填有水。根據以往同類工程經驗，溶洞內介質的壓縮波波速Vp在1500～2500m/s之間。溶洞外介質為中微風化砂巖、礫巖、花崗巖，壓縮波波速Vp在4000～6000m/s之間。溶洞內外介質存在極為明顯的波速差異。這種波速差異的存在，使得采用跨孔彈性波CT法探明溶洞提供了較好的物性條件。

圖1 研究區鉆孔位置與測線布置圖

2 跨孔彈性波CT法工作方法技術

為了有效查明研究區的巖溶分布情況，本文通過已有的25個鉆孔布設橫測線5條(H1-H5)、縱測線5條(L1-L5)、斜測測線14條(X1-X7,Y1-Y7)共計24條測線，使其構成一個三維立體探測網絡，具體布設見圖1。本次采用跨孔彈性波CT法進行測量，觀測系統由兩個鉆孔組成，一個發射孔，一個接收孔。在發射孔內設置激發點間距為1.0m，在接收孔內設置接收間距也為1.0m，同時保證每一個激發點在接收孔中進行全孔接收，見圖2。

圖2 跨孔彈性波CT法觀測系統示意圖

本為采用美國Geometrics公司的Geode型淺層地震儀進行測量，同時在外接計算機使用配套軟件Seismodule Controller進行控制。接收傳感器采用北京水電物探研究所生產的CH3型高靈敏度12道聲波探頭，每個接收探頭均采用20倍集成運算放大器進行阻抗匹配、抑制道間串擾。為了保證數據采集質量，本文野外施工均為半夜干擾較小的時候。經過野外現場試驗，跨孔彈性波CT法選擇的野外工作參數為采樣間隔為20.833μs，濾波帶通為400～4000Hz；疊加次數為3次。本文對跨孔彈性波CT數據經抽道集、共激發點道集檢查、初至時間拾取、初至時間檢查、射線平均波速計算、初始速度模型預測、CT反演后得到跨孔的速度剖面，其中在CT反演中采用0.5m×0.5m網格。

3 結果及解釋

根據前期鉆孔資料和跨孔地震CT成像探測結果可知，本文將研究區地層根據工程性質有淺至深分為素填土、巖溶發育區、溶蝕裂隙發育區及軟弱夾層以及完整基巖四層(見表1)。其中目標層巖溶發育區波速表現為1500～2000 m/s，為低速層。

表1 彈性波CT法波速分區表

本文以某一次跨孔地震CT成像為例來說明其探測結果和解釋原則。圖3為L1線ZKCT1-ZKCT2鉆孔之間跨孔地震CT速度剖面圖，從圖中可以看出，從淺到深大致可以分為二層第一層為低速素填土層，深度在-12～-18m之間；第二層為灰巖地層，深度在-18m以下；表現為整體高速(紅色)局部地區有明顯低速(藍綠色)異常體。低速異常體根據表1以及鉆孔資料可推斷為巖溶發育區，本段剖面共劃分四處異常區。

圖3 L1線第一段解釋成果圖

綜合所有地震CT剖面，在擬建場地內查明揭露有38個巖溶發育區；具體平面分布見圖5。場地內線巖溶率為24.6%，見洞率為28.9%；場地巖溶強烈等級屬中等～強烈。場地內巖溶大多數無充填物或少量充填，極少數為半充填；充填物均為松散巖塊、礫石、砂等。巖溶處治容易達到較好效果。砂巖、礫巖、花崗巖巖性分界面附近常見溶蝕裂隙發育區或強風化軟弱夾層。對于上述軟弱夾層，埋藏淺的可采用換填進行處理；對于埋深較大無法處理的夾層，建議設計單位進行承載力驗算和沉降變形驗算。其中編號為R31的巖溶發育區，巖溶發育規模較大，埋藏很淺，處理時需注意施工安全。

圖4 研究區跨孔地震CT探測推斷巖溶位置分布圖

4 結論與建議

本文利用跨孔地震CT對廣州某商業區標志性建筑地基進行三維立體網絡式探測，揭示了研究區的速度分布特征，結合已知鉆孔和地層速度信息圈定了整個研究區的巖溶發育區的空間分布位置以及規模特征，為建筑施工設計和巖溶處理提供了基礎數據。