跨孔彈性波CT在地質工程勘察中的應用

韋俊丁

（廣東省有色金屬地質局九四〇隊，廣東 清遠 511520）

跨孔彈性波CT可分為地震跨孔彈性波CT和超聲波CT，是在不損壞待測物體的前提下，利用彈性波射線穿透被測物體，利用信號接收系統在物體的另一端接收到聲波射線。通常情況下跨孔彈性波CT多為一發多收聲系統，也就是在物體某一點單點發射彈性波射線，在物體的另一端作扇形排列接收，然后沿著物體另一端從上到下逐點同步移動進行掃描觀測[1]。由于跨孔彈性波CT具有效率高、無損害、精度高、靈敏度高等優點，已經被廣泛應用于測量領域中，比如醫學、生物、航天等，在國外跨孔彈性波CT技術已經被應用到地質勘察領域中，并取得了一定的應用成果，但是在國內還沒有該方面的應用經驗。目前地質工程勘察工作中仍采用傳統的人工勘察方法，傳統勘察方法在實際應用中主要依靠人員的勘察經驗和勘察技術，很難獲取到精準的巖體內部信息，并且盡可以實現面上的二維探測，而無法實現面上的三維探測，隨著地質工程勘察難度和要求的不斷提高，傳統勘察方法無論是在精度方面還是效率方面都無法滿足地質工程勘察需求，為此提出跨孔彈性波CT在地質工程勘察中的應用研究，為跨孔彈性波CT在地質工程勘察中的應用提供理論依據。

1 基于跨孔彈性波CT的地質工程勘察方法

地質工程勘察工作的主要內容是通過勘察了解深層地質巖體的分布情況和發育情況，進而推斷出深層巖體的空間位置以及裂隙發育情況等，本文利用跨孔彈性波CT技術作為地質工程主要測量手段，對地質工程進行三維空間探測，獲取到地質工程巖體信息，并通過對巖體信息進行分析得到地質工程勘察結果，以下將對基于跨孔彈性波CT的地質工程勘察方法進行詳細描述。

1.1 基于跨孔彈性波CT的地質三維空間探測

通常情況下地質工程場地內地層一般為粉質土和碎石土為主，這兩種土質的縱波波束Vp在1200m/s～1500m/s內，并且工程場地的基巖通常為頁巖，中風化頁巖的縱波波束Vp在2400m/s～3500m/s，微風化頁巖的縱波波束Vp在3800m/s～4500m/s，未風化頁巖的縱波波束Vp在4800m/s～5500m/s。此外場地深部的巖體發育區縱波波束Vp在1200m/s～1500m/s，各個地質之間有明顯的波束差異，因此根據地質工程勘察需求，此次選用跨孔彈性波CT技術對地質進行三維空間探測，獲取到深層巖體數據信息，用于后續地質三維空間探測數據分析，其探測過程如下[2]。

根據實際情況以及探測需求，本文采用型號為LOKPS2S1型號跨孔彈性波CT掃描儀作為探測設備。首先利用HIS62地質巖芯鉆機利用回轉方式對地表進行鉆孔，為了更加精準的獲取到地質三維空間數據，鉆孔之間的間距要比較小，通常情況下根據實際情況而定，在5.5m～7.5m之間，鉆孔的孔徑大小控制在100mm～130mm之間，鉆孔的深度在35m～55m范圍內，為了避免對地質造成損壞，在鉆孔過程中需要進行注水，利用水降低鉆孔產生的延誤和對地質的摩擦。孔成之后將直徑為75mm的聚氯乙烯套管護壁放入孔內，以供跨孔彈性波CT掃描儀工作使用。

鉆孔完成之后，選取兩個比較近的鉆孔作為彈性波CT發射鉆孔，跨孔彈性波CT掃描儀通過激發高頻彈性波，向探測地質進行掃描；然后選擇另一側的鉆孔作為彈性波CT接收鉆孔，跨孔彈性波CT掃描儀內置傳感裝置，利用傳感裝置接收到地質反射回來的彈性波信號。在探測過程中需要開啟跨孔彈性波CT掃描儀的噪聲監測功能，選擇噪聲比較小時間范圍內作為信號接收時間段，以此跨孔彈性波CT掃描儀保證三維空間掃描探測數據的精度。利用計算機讀取到傳感裝置接收到的彈性波CT信號，并對其進行統一保存，用于地質三維空間探測數據分析。

1.2 地質三維空間探測數據分析

跨孔彈性波CT掃描儀采集到的數據均是彈性波相關數據，若要通過對這些數據了解到深層巖體的空間位置以及裂隙發育情況，需要對三維空間探測數據進行處理和分析。首先將勘察區域離散成若干個規格的網格單元，將地質三維空間探測數據導入到網格單元中，形成網格化模型，用公式表示如下：

公式（1）中，ti為地質工程離散區域網格化模型，即第i條彈性波射線的走時；dij為第i條彈性波射線穿過第j個網格的長度；n為彈性波射線數量；m為地質工程離散區域網格化模型的網格數量；v為彈性波的速度；(x,y)為彈性波射線的路徑。利用聯合迭代方法對上述公式進行求解，可以得到每一個小方格內的地質彈性波慢度值，并分別取其倒數即可得到鉆孔間巖體分布情況，利用上述公式繪制出各個離散后地質工程巖體三維空間模型圖，將所有離散后的區域巖體三維空間模型圖融合到一起，就形成了地質工程勘察巖體三維空間分布圖，通過該圖可以了解到地質工程巖體發育情況以及分布情況，確定巖體的具體發育位置和范圍，以此完成基于跨孔彈性波CT的地質工程勘察[3]。

2 實驗論證分析

實驗以某地質工程為實驗對象，該地質工程勘察面積為6642.5m2，地質土層為粉質黏土、碎石土等，存在波速差異，實驗利用此次設計方法與傳統方法對該地質工程進行勘察，得到深層巖體分布情況。

根據該地質工程實際情況，在勘察區域內布設10條測線，每個測線布置5個鉆孔，共計布置50個鉆孔，5對跨孔彈性波CT剖面。實驗中工程地質鉆孔孔徑為100mm，鉆孔孔深為45m。每個鉆孔利用礦孔彈性波CT三維空間探測掃描三次，取三次掃描中噪聲波動最小的一組數據作為探測數據，共獲取數據1235.52MB，按照上文對地質數據進行分析，共獲取到5個巖體剖面圖。實驗用電子表格記錄兩種方法勘察數據，將其與實際值進行對比，并利用GSS軟件計算出兩種勘察方法勘察結果的殘差值，殘差值是用于評價精度的一個有效指標，其取值范圍在0-1之間，殘差值越接近1則說明勘察結果精度越低，與實際值之間的誤差越大，相符程度越小；殘差值越接近0則說明勘察結果精度越高，與實際值之間的誤差越小，相符程度越高。實驗將殘差值作為實驗結果，對兩種地質工程勘察方法進行對比分析，實驗結果如下圖所示。

圖1 兩種方法勘察殘差值對比圖

從上圖可以明顯看出，基于跨孔彈性波CT的地質工程勘察方法殘差值最低可以達到0.42δ，評價殘差值僅為0.63δ。而傳統方法最大殘差值為0.96δ，平均殘差值為0.89δ，遠遠高于設計方法，因此實驗證明了基于跨孔彈性波CT的地質工程勘察方法勘察精度更高，相比于傳統方法更適用于地質工程勘察。

3 結語

本文對跨孔彈性波CT在地質工程勘察中的應用進行了研究，利用跨孔彈性波CT技術掃描獲取到地質工程相關信息，并且對其進行處理和分析，形成一個新的地質工程勘察方法，跨孔彈性波CT技術的應用有效克服了傳統勘察方法對準確獲取深度巖體信息的困難，提高了地質工程勘察工作效率和精度，有助于實現地質工程的三維空間探測，對跨孔彈性波CT在地質工程勘察工作中的應用具有一定的推廣作用。