鉆探輔以彈性波CT法聯(lián)合勘察在巖溶勘察中的應(yīng)用

（廣東有色工程勘察設(shè)計(jì)院，廣東 廣州 510080）

在我國尤其是南方地區(qū)巖溶廣泛發(fā)育，工程建設(shè)中巖溶地區(qū)的穩(wěn)定性為其中的關(guān)鍵問題。目前通常使用鉆探方法來查明地下的巖溶情況，但往往受施工場地、工程實(shí)地鉆孔數(shù)量等條件的限制，同時單靠鉆探亦不能全面揭示地質(zhì)體的橫向發(fā)育情況。跨孔彈性波CT法作為一種新的物探勘查方法悄然興起[1]。與常規(guī)鉆探、物探方法相比，鉆探輔以彈性波CT法聯(lián)合勘察能獲得更多的信息，能更具體、詳細(xì)、直觀查明巖溶大小、充填情況等，為工程建設(shè)提供重要的依據(jù)[2]。

1 跨孔彈性波CT法工作原理

跨孔彈性波CT法觀測系統(tǒng)，以一個鉆孔為發(fā)射孔，另一個鉆孔為接收孔。并保證每一個激發(fā)點(diǎn)，在接收孔中進(jìn)行全孔接收。

根據(jù)初始速度模型和初至?xí)r間，采用N×M個單元節(jié)點(diǎn)間隔，采用聯(lián)合迭代法(SIRT方法)進(jìn)行計(jì)算，反演跨孔剖面的波速影像。彈性波CT法主要采用震動波的速度分布v(x,y)或慢度S(x,y)=1/v(x,y)來進(jìn)行[3]。假設(shè)第i個震動波的傳播路徑為li，其傳播時間為ti，則：

式中ds 是弧長微元。把反演區(qū)域離散化成N個單元數(shù)，對應(yīng)的單元慢度為Sn。則第i個射線的旅行時為：

式中aij表示長度。M 條射線組合成一線性方程組：

即AS=T

式中A為距離矩陣，T為時間向量，S為慢度列向量。通過求解方程組可得井間區(qū)域的速度場反演成像。

值得注意的是，受走時觀測誤差的影響，跨孔彈性波CT法根據(jù)波速差異解釋巖溶的存在情況及邊界存在一定誤差。同時，跨孔彈性波CT法將實(shí)際上的三維空間按二維空間處理，會導(dǎo)致一定誤差，這種誤差會引至基巖中零星分布體積較小的溶洞未被解釋[4]。

2 工程實(shí)例

2.1 鉆探與跨孔彈性波CT法探測

佛山某地鐵某區(qū)段位于泥灰?guī)r、鈣質(zhì)砂巖地區(qū)，后期根據(jù)設(shè)計(jì)需求進(jìn)行了巖溶專項(xiàng)勘察工作[5]。本專項(xiàng)勘察主要采用鉆探輔以彈性波CT法聯(lián)合勘察手段，共布置10個鉆孔，鉆孔間距約15m～20m，相鄰鉆孔之間區(qū)域采用彈性波CT法進(jìn)行探測。根據(jù)鉆探揭露，該區(qū)段巖溶劇烈發(fā)育，以半充填或全充填狀態(tài)為主，少量無充填，串珠狀溶洞發(fā)育，洞頂面埋深23.40m～36.20m(標(biāo)高-33.10m～-20.85m)，揭露洞高0.20m～6.60m，平均洞高2.21m。

結(jié)合場地地質(zhì)資料，將所有跨孔彈性波CT資料進(jìn)行分析、解釋，可將本場地內(nèi)地質(zhì)情況分為四個區(qū)，見表1。

表1 彈性波CT法波速分區(qū)表

根據(jù)該劃分原則對跨孔彈性波CT法反演波速影像進(jìn)行解 釋 的 成 果 見 圖1(以ZK-B06、ZK-B09、ZK-B10為 例)。由圖可見，巖溶發(fā)育區(qū)與周圍完整基巖存在明顯的波速差異，在反演的波速影像圖中非常容易辨別。一般在紅色的基巖中出現(xiàn)藍(lán)色的區(qū)域即解釋為巖溶發(fā)育區(qū)；溶蝕裂隙發(fā)育區(qū)及軟弱夾層與周圍的完整基巖之間存在一定的波速差異，一般在紅色的基巖中出現(xiàn)灰紅色的區(qū)域即解釋為溶蝕裂隙發(fā)育區(qū)及軟弱夾層。根據(jù)反演波速影像成果圖，10、09號孔之間揭露的溶洞有R17～R21共5個，09、06鉆孔間揭露的溶洞有R16、R58、R59，06、10鉆孔間揭露的溶洞有R53～R56共4個，分析結(jié)果與地質(zhì)鉆探驗(yàn)證資料基本吻合。

圖1 跨孔彈性波CT反演波速影像及綜合地質(zhì)解釋剖面圖

2.2 技術(shù)要點(diǎn)

采用彈性波CT法對巖溶地區(qū)巖土層、地質(zhì)目的體進(jìn)行探測，不可避免會受到現(xiàn)場外部環(huán)境的干擾。現(xiàn)場主要干擾因素為鉆探及施工過程中的機(jī)械振動。野外測試時采用下述措施，基本有效地消除了干擾：

（1）開啟儀器的噪聲監(jiān)測功能，選擇振動噪聲較小的時段激發(fā)接收。

（2）現(xiàn)場監(jiān)控的每一個振動波形記錄，若達(dá)不到優(yōu)良級別則立馬重測，直至記錄質(zhì)量優(yōu)良。部分測試可在夜間進(jìn)行。

（3）測試開始前，根據(jù)每對鉆孔的地質(zhì)情況，選擇基巖比較完整的鉆孔作為發(fā)射鉆孔，以利于激發(fā)高頻彈性波，提高探測精度。

（4）野外測試時，詳細(xì)填寫野外作業(yè)班報(bào)，以供質(zhì)量監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理。

（5）鉆孔施工至預(yù)定深度后，立即在孔內(nèi)放置φ75mm的PVC管護(hù)壁，防止孔壁坍塌。

（6）本次采用的跨孔彈性波CT法，鉆孔最大距離約20m，解釋分辨率為1m，跨孔CT的精度和孔距以及采樣點(diǎn)距有關(guān)，適當(dāng)縮短孔距，減小每次采樣的點(diǎn)距可以提高精度，但是這樣會大大增加施工的工作量。

3 結(jié)語

工程實(shí)踐表明，鉆孔鉆探輔以彈性波CT 法探測，更能直觀地反映巖溶地區(qū)，鉆孔及鉆孔之間巖溶的發(fā)育情況，包括巖溶位置、大小、充填情況及巖溶平面及剖面分布規(guī)律。通過鉆探資料的驗(yàn)證，跨孔彈性波CT法反演解釋成果與鉆探資料有較好的吻合性。隨著房屋建筑、地鐵建設(shè)的飛速發(fā)展，在鉆探場地受限、巖溶發(fā)育地區(qū)，該方法有較好的應(yīng)用前景。

[1]武威,顧寶和等.巖土工程勘察規(guī)范 [S].北京: 中國建筑工業(yè)出版社,2009.

[2]李學(xué)軍,趙竹占等.城市工程地球物理探測規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

[3]常士驃,張?zhí)K民等.工程地質(zhì)手冊[M], 北京: 中國建筑工業(yè)出版社,2006.

[4]王運(yùn)生.彈性波CT關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用實(shí)例[J].工程勘察,2005,(3):66-68.

[5]朱文仲.彈性波CT技術(shù)幾個重要問題的研究[J]. 工程地球物理學(xué)報(bào),2008,5(2):173-180.