巖溶地區(qū)地下溶洞勘測(cè)探究

許廣文 陳 軍

（1、杭州蕭山城市建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310012 2、浙江省地礦勘察院有限公司，浙江 杭州 310012）

隨著城市后進(jìn)度的加快，對(duì)地下空間的利用日益增加，隨之而來(lái)的地下空間安全問(wèn)題越來(lái)越成為關(guān)注點(diǎn)。地下發(fā)育的巖溶對(duì)地下空間的開(kāi)發(fā)會(huì)造成諸多安全隱患，例：施工過(guò)程中會(huì)引起溶洞塌方、滲漏水和等現(xiàn)象，對(duì)施工進(jìn)度甚至施工人員的安全造成影響[1-2]。

近年來(lái)，彈性波CT 技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于溶洞的探測(cè)，是地下空間開(kāi)發(fā)利用的重要技術(shù)支撐。

例如，苗慶庫(kù)等[3]利用CT 技術(shù)對(duì)京滬、銅九線等進(jìn)行了巖溶探測(cè)，在巖溶勘察上取得了良好的應(yīng)用效果；談順佳等[4]將鉆探和CT 相結(jié)合，獲得了佛山某地鐵區(qū)域巖溶發(fā)育的分布規(guī)律；李衛(wèi)衛(wèi)等[5]對(duì)影響跨孔地震波初至CT 成像精度的3 個(gè)因素（孔間距、巖溶尺寸及水平間距）開(kāi)展了正反演研究；趙庚亮等[6]采用鉆芯和室內(nèi)試驗(yàn)確定了地層及溶洞的物理力學(xué)參數(shù),結(jié)合有限元軟件Midas GTS 確定了溶洞與地鐵車站、盾構(gòu)隧道的安全距離，提出了巖溶區(qū)軌道交通溶洞處治范圍及處治措施, 并研究了溶洞的處治效果。

1 工程概況

風(fēng)情大道改建工程項(xiàng)目位于杭州市，風(fēng)情大道主線工程位于現(xiàn)狀風(fēng)情大道地面道路，北起浙贛鐵路代建段，南至現(xiàn)狀湘湖隧道；風(fēng)彩互通立交位于風(fēng)情大道與彩虹大道交叉路口。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，本場(chǎng)地地下主要為覆蓋型巖溶，對(duì)高架橋樁基施工會(huì)產(chǎn)生較大影響，本項(xiàng)目采用的鉆孔彈性波CT 方法能夠在施工前提前知曉溶洞的形態(tài)、規(guī)模和位置，并確切地劃定出鉆孔之間的斷層破碎帶區(qū)域和巖溶發(fā)育異常區(qū)域。技術(shù)路線圖如圖1 所示。

圖1 技術(shù)路線圖

2 彈性波CT 方法原理

彈性波CT 能夠在不損壞物體的前提下，得到物體內(nèi)部的物理參數(shù)分布、幾何形態(tài)等信息。它通過(guò)扇形測(cè)試獲得首波走時(shí)數(shù)據(jù)（ti），然后通過(guò)求解大型矩陣方程得到兩孔之間速度剖面圖像，根據(jù)速度剖面圖像可以直更觀準(zhǔn)確地判定物體內(nèi)部的大小分布。彈性波CT 還能通過(guò)接收炮點(diǎn)與檢波點(diǎn)之間的地震波旅行時(shí)間，得到勘探區(qū)域的速度結(jié)構(gòu)。在得知某種地震波的旅行時(shí)間的情況下還能求解出地下介質(zhì)的速度場(chǎng)。地震波的旅行時(shí)間的計(jì)算公式可表示為：

其中，S(x,z)是指地下介質(zhì)的慢度函數(shù)，dl 是指波的射線路徑的微分，T 是指地震波從震源s 到檢波點(diǎn)r 的走時(shí)。把（1）式離散后，可用如下的矩陣形式表示：

式中T 表示為所有炮點(diǎn)到檢波點(diǎn)的旅行時(shí)矩陣，S是指地下介質(zhì)的慢度矩陣，A 表示為與地震波傳播射線路徑有關(guān)的距離矩陣。

如圖2 是地震CT 成像的工作示意圖，其觀測(cè)方式由兩種：一是一孔激發(fā)，另外一孔多道接收，二是一孔激發(fā)多孔接收。

圖2 彈性波CT 工作示意圖

3 彈性波CT 資料處理

針對(duì)實(shí)際工程數(shù)據(jù)處理，得到的資料處理流程如圖3。

圖3 彈性波CT 資料處理流程

原始資料總體表現(xiàn)為：記錄面貌良好，信噪比及分辨率較高，初至較清晰，連續(xù)性好，但巖溶發(fā)育區(qū)域會(huì)出現(xiàn)初至延遲及能量變?nèi)醪贿B續(xù)的現(xiàn)象。

3.1 初至拾取

數(shù)據(jù)處理中，初至的拾取至關(guān)重要，因?yàn)榈卣饘游龀上竦姆椒ǎ歉鶕?jù)初至?xí)r間，進(jìn)一步反演地層速度，因此在初至拾取中，保證拾取的原則一致，如統(tǒng)一拾取初始起跳位置或者波峰位置，保證數(shù)據(jù)的一致性。

3.2 成像處理

成像處理是彈性波CT 資料處理的關(guān)鍵步驟，有利于準(zhǔn)確的進(jìn)行構(gòu)造分析、地層層位的研究以及巖溶發(fā)育區(qū)的空間變化。

將多個(gè)鉆孔聯(lián)合，可以進(jìn)行三維鉆孔空間聯(lián)合反演成像，并將三維速度體及鉆孔、勘察孔、樁位等信息綜合顯示，部分三維速度體顯示如圖4 所示。

圖4 地震CT 多孔聯(lián)合成像三維數(shù)據(jù)體

4 彈性波CT 資料解釋

基于彈性波CT 方法的原理特點(diǎn)，結(jié)合本工程的探測(cè)任務(wù)，分析得到本場(chǎng)區(qū)內(nèi)溶洞和溶蝕裂隙屬于地質(zhì)異常體，根據(jù)前期的地勘報(bào)告可知，本區(qū)溶洞填充物大多為軟塑～軟可塑狀黏性土或含碎石黏土，采用該介質(zhì)填充的溶洞相對(duì)與圍巖介質(zhì)的波速較低，反演得到的波速剖面圖中的低速體為探測(cè)異常，溶洞產(chǎn)生的低速異常與圍巖存在波速上的差異。表1 對(duì)本區(qū)中的巖層，給出了常見(jiàn)巖土及巖體的波速數(shù)值。

表1 常見(jiàn)巖土波速表

當(dāng)探測(cè)剖面之間有溶洞發(fā)育時(shí)，整體速度特征發(fā)生變化，表現(xiàn)為速度的降低，WT33 鉆孔和鉆孔WT34 在打鉆過(guò)程中均發(fā)現(xiàn)溶洞異常，圖5 為WT33～WT34 鉆孔彈性波CT 剖面圖。

圖5 中可清晰直觀的反應(yīng)巖溶發(fā)育情況及范圍，其中WT33 鉆孔和WT34 鉆孔均在基巖中揭露巖溶，對(duì)應(yīng)彈性波CT 剖面中速度區(qū)域?yàn)?00m/s～1500m/s。下部完整基巖地震波速度相對(duì)較高。

圖5 鉆孔WT33～WT34 彈性波CT 速度剖面

當(dāng)巖性均勻分布且突變不明顯時(shí)，應(yīng)當(dāng)為層狀速度分布的波速圖，即由淺部至深部，速度也由小到大遞增，若剖面之間無(wú)巖溶發(fā)育，則基巖面分布規(guī)律較明顯，且剖面中無(wú)明顯溶洞發(fā)育的低速異常。

根據(jù)以上異常的范圍及位置分析并結(jié)合實(shí)際巖石的速度，可大致確定本次彈性波CT 對(duì)地層解釋的速度范圍：巖溶發(fā)育區(qū)域地震波速度在800～1200m/s 之間，1200m/s-1500m/s 之間為巖溶附近溶蝕裂隙影響區(qū)，基巖面以下完整灰?guī)r速度在3800m/s～5000m/s 之間，破碎帶在基巖中的破碎程度，膠結(jié)物及其膠結(jié)程度是影響地震波在破碎帶中傳播速度的重要因素，但是地震波在破碎帶中的傳播速度是介于溶洞和完整基巖的，其速度范圍為1500m/s～5000m/s，同時(shí)破碎帶的判定需根據(jù)鉆孔實(shí)際揭露及剖面間速度等值線的變化綜合判定。

5 結(jié)論

本區(qū)探測(cè)范圍內(nèi)巖溶發(fā)育區(qū)地震波速度在800～1200m/s 之間，1200m/s～1500m/s 之間為巖溶附近溶蝕裂隙影響區(qū)，基巖面以下完整灰?guī)r速度在3800m/s～5000m/s 之間。

本次探測(cè)結(jié)果中各剖面的溶洞異常已被鉆孔揭露，尚存在未揭露部分可能是剖面之間的巖溶發(fā)育區(qū)或溶溝發(fā)育區(qū)，需通過(guò)打鉆進(jìn)一步驗(yàn)證其特性。