跨孔地震CT在地鐵巖溶勘察中的應用

史曉忠

（無錫市政設計研究院有限公司，江蘇 無錫 214000）

0 引言

隨著城市軌道交通的發展，越來越多的城市地鐵建設都不可避免地要通過巖溶發育區。而在巖溶區進行施工建設，很容易引起地面塌陷、隧道突泥及突水等地質災害問題。在無錫市地鐵4號線的工程勘探中發現，部分灰巖地段發育有不同規模的巖溶，洞徑幾十厘米到十幾米不等，巖溶類型為覆蓋型，上覆地層為第四系沉積物。為了避免施工過程中發生事故，必須采取有效的手段查明巖溶的具體位置和規模。傳統的鉆探和物探方法由于其較高的成本及特殊性而很難對一些發育不均勻、地質情況復雜的巖溶得出全面而有效的分析[1]。相比較而言，跨孔地震CT技術可以借助前期鉆孔釋放彈性縱波，探測深度不受影響并可以查明橫向連續的破碎帶和空間分布，彌補了傳統勘探方法的不足。此外，該技術還可對孔間巖土體進行逐層掃描，通過Matlab解譯生成探測區的波速等值線云圖，使得剖面內的地質異常體能更加直觀地表現出來，因此跨孔地震CT技術用于探測巖溶分布是一種可行、理想的方法。

跨孔地震CT技術具有精度高、實用性強等優點，但其精度也受系統硬件性能及反演軟件的影響[2]。此外數據采集現場條件的干擾，包括建筑物、路面交通情況等，導致測試結果存在一定的誤差。本文采用已有的Matlab程序對原始波形進行濾波、反演計算介質波速，并在二維剖面內成像，以此來分析地下巖溶發育情況，彌補了前期地質勘探資料的不足，為后期工程施工提供參考依據。

1 研究區工程地質特征

本次研究區域為無錫地鐵4號線3號標段四院站-河埒口站區間，如圖1所示。線路主要沿惠河路、英俊路和蠡溪路，同時下穿青祁路高架、穿越產業新村和上蔣巷居民區。場區較平坦，現狀地面標高在5.0～9.8 m之間。該場地地貌單元屬長江三角洲沖積平原。無錫市位于揚子準地臺下揚子-錢塘褶皺帶東端。印支運動使該區褶皺上升成陸，燕山運動發生，使地殼進一步褶皺斷裂，并伴之強烈的巖漿侵入和火山噴發。至白堊紀晚世漸趨寧靜，該區構造格架基本定型；新生代以來，地殼運動總的特點是山區緩慢上升、平原區持續緩慢下降。工程沿線場區位于蘇錫常斷裂、和橋-陽山斷裂交匯處，形成不同體系的構造斷裂面錯綜復雜交織在一起的主要構造格局，如圖2所示。并且沿線場區內主要斷裂均為第四紀早、中期斷裂，都不是晚更新世以來有活動的斷裂。

圖1 研究區工程位置圖

圖2 場地地質構造圖

區內大部分地區被第四系地層覆蓋，基巖裸露區基本分布在江陰復式褶皺和太湖北岸。在本工程區揭露的基巖為石炭系黃龍組地層，主要以微晶灰巖為主，夾有少量白云巖團塊，塊狀構造。自下而上分別為微風化灰巖、中等風化灰巖、強風化灰巖。區域資料顯示，地層層面向南東傾，傾角較緩，大部分在10°~20°之間。巖體中裂隙較發育。場區基巖埋深較大，巖體受上部巖土體自重應力作用，結構面閉合度一般。

2 現場跨孔地震CT試驗

2.1 跨孔地震CT工作原理

常見的CT方法按激發與接收空間布局分為井地CT和跨孔CT；按物理場探測技術分為高密度電法、超聲波法、地質雷達法、地震法。高密度電法由于電極與柏油路面耦合差，接地電阻太大，因此精度較低；超聲波法由于巖石對高頻吸收和衰減都比較快且散射嚴重，探測距離短；地質雷達法電磁波能量衰減強烈，在高導磁厚覆蓋條件下，探測范圍受到間距限制，且易受電線、電纜等非探測目標的干擾[3]。相比這些，地震法在井中或地面激發，激發能量和孔間距較大，只要鉆孔不受限制其具有很高的精度。

跨孔地震CT是通過地質體（結構）的外部地震波走時和衰減的觀測數據，來準確、可靠地反演出地質體內部結構的直觀圖像[4]。地震波穿透巖土介質時，其速度快慢與巖土介質的彈性模量、剪切模量、密度有關。密度大、強度高的巖石模量大、波速高、走時短，反之亦然。完整堅硬、孔隙度小的巖體波速高，吸收弱、能量衰減小；破碎巖體和松散的土體波速低、吸收強、能量衰減大，因而地震CT圖像能可靠反映各類巖土體的分布界線及巖體的破碎程度和分布[5]。跨孔地震CT即在第一個孔內發射地震波，在第二個孔內用檢波器接收，數據傳輸到地震記錄儀中保存，后期再進行處理分析，把地震波傳播路徑疊加后成像，最后對地震波進行分析，以此來研究基巖深度范圍內兩孔之間測線上巖體中洞穴發育情況。

2.2 測線布置

在本次CT探測中，在激發孔中采用電火花作為激發震源，炮點間距0.5 m。在接收孔內布設100 Hz檢波器串，檢波器間隔1 m；為了提高檢測精度，在第一次試驗完成后，將100 Hz檢波器串提高0.5 m，再進行一次探測。信號采用瑞典ABEM公司生產的RSA24地震儀進行采集，精度較高，完全可以滿足工程要求；記錄長度0.2 s，采樣間隔0.125 ms；激發孔孔內1點激發，接收孔內12個點接收。鉆孔深度大于隧道底板以下10~15m，為了減小沉渣對探勘的影響，將勘探孔深度定于探測深度以下1~2 m。測線布置采用一孔與周圍多孔聯合進行測量，有效減少了鉆孔數量，節約了鉆探成本。本次鉆孔及測線布置如圖3所示。

圖3 鉆孔及測線布置

在實測資料的數據處理中，按照數據濾波、拾取初至波走時、反演波速、CT圖像成圖的步驟進行。其中，CT圖像反映的是成像剖面內彈性縱波的波速等值線云圖。

3 結果與分析

本次探測共完成了17個物探鉆孔、23條CT物探剖面。由勘探孔柱狀圖來看，基巖埋深21~32m，土巖界面起伏較大，石芽較為發育，存在古溝壑。由跨孔CT解譯結果來看，巖體波速在2~3.5 km/s，探測范圍內巖體的風化程度為中等，沒有充填的溶洞波速小于700 m/s，被碎屑物充填的溶洞波速約700~900 m/s。根據比較跨孔地震CT結果波速等值線圖和鉆孔資料，將現場測試結果與鉆探取芯結果進行對比，將場地地質異常類型分為裂隙、泥質填充型溶洞、溶洞、松散土體（空洞）。取場區內22號孔-109號孔測線為例，如圖4所示。該等值線云圖共揭示了3個地質異常點。

圖4 22號孔-109號孔間CT探測解譯巖體波速等值線云圖

跨孔地震CT解譯結果發現，場地地基下部灰巖段巖溶比較發育。經對20多條測線解譯結果統計分析，共發現33處溶洞，其中泥質充填型25處，無充填溶洞8處，溶洞直徑一般為0.5~1.5 m，個別達2 m以上；發現8處巖體破碎帶，破碎帶范圍一般小于3 m。溶洞匯總如表1所示。

根據場地不同、區域巖溶的發育程度以及對盾構施工的技術要求需要，將隧道底板標高下10m深度范圍內的地質異常點繪制成平面圖，如圖5所示。結合場區地質資料及本次跨孔地震CT的結果，繪制出了該場區的巖溶剖面圖，如圖6所示。從圖6中可以看出巖溶發育呈垂直方向的多層性。

4 結語

（1）場區溶巖發育具有垂直方向多層性，且具有明顯的強弱交替分布。溶洞多發育在高程-40 m以上范圍內，發育較多但規模較小。溶洞充填率較高，全充填溶洞充填物多為硬塑狀黏土，半充填溶洞充填物多為粉質黏土。

表1 溶洞匯總表

圖5 隧道底板下10 m異常點分布平面圖

（2）通過鉆探與跨孔地震CT相結合的方法，查明了場地橫向和縱向上溶洞的發育情況，彌補了前期勘察結果的不足。良好的測試效果表明跨孔地震CT在工程地質勘探中有著廣泛的應用前景。

圖6 場地巖溶剖面圖