跨孔地震CT在地铁岩溶的应用研究

张腾飞

(西南交通大学, 四川成都 611756)

岩溶是威胁工程施工安全的重要因素。本工程位于某市地铁盾构区间，根据详勘揭示的岩溶发育状况，本段为强烈岩溶发育区。隧道主要穿过中风化白云质灰岩和溶洞。为避免施工过程中发生坍塌、涌水等工程事故，需要及时查明溶洞的分布、埋藏深度和发育程度等。

如果用常规地面物探方法，如高频电磁波法，软弱覆盖层及岩溶充填物会吸收电磁波能量，电磁波能量衰减迅速，此时探测深度达不到要求；直流电法因受到表面高阻层如水泥或沥青路面屏蔽传导电流的影响，探测效果也不好。相比较而言，跨孔地震CT 技术在基岩中激发弹性纵波，由于钻孔的存在，探测深度基本不受影响，勘探的准确性也有很大的保证。除此之外，跨孔地震CT技术可对钻孔间的岩土体进行依次扫描，并对目标探测区内介质的波速成像，使得孔间异常体能在图中直观地表现出来[1]。因此利用地震CT技术探测岩溶及软弱不良地质体分布是一种有效的方法。对跨孔地震 CT 技术来说，成像分辨率是制约解释精度的重要因素。它既受激发频率、观测系统等硬件性能的影响，也受反演软件的影响[2]。针对石油物探的反演软件已得到广泛应用，从走时反演的发展来看，其核心算法从分辨率极低的反投影技术(BPT)，过渡到以联合迭代重建技术(SIRT)和正交分解(LSQR)为代表的迭代法[3-4],目前针对工程物探的反演软件在近些年的发展中也得到了很大的应用。2009 年李曙光[5]和李天琪等[6]在岩溶勘察中利用了井间CT技术，并取得了良好的应用效果。2010 年白文胜将井地地震CT技术与地面折射法相结合对 FAST 的台址的洼地进行了勘探，结果显示物探在对台址洼地探测中发挥了重要作用[7]。2012年，叶月明等研究了基于小波束算子的井间地震CT技术[8]。

跨孔地震CT技术，由于是在两个钻孔之间进行激发与接收，因此采集到的数据信噪比很高，可靠性高，并且与传统的物探方法相比，有明显的优越性，更加经济。通过和相应的钻孔资料相对比，跨孔地震 CT 结果具有很高的精度，并且能够直观圈定出岩溶位置范围及其发育分布形态，为工程建设提供了可靠的依据。近些年来地震CT技术在城市岩溶探测方面有了长足的进展，如南京地铁、武汉地铁、福州地铁均有相关应用，具有良好效果。

1 跨孔地震CT层析成像原理

跨孔地震CT层析成像(简称地震CT)在岩溶勘察中的应用,是基于完整灰岩与岩溶(包括充填物)溶蚀裂隙及上覆土层之间存在明显的纵波波速差异。这种波速差异是在岩溶发育地区开展地震CT勘察良好的地球物理前提。

根据不同的岩体弹性参量不同，传播速度也就不同,岩土体纵波传播速度可按下式计算：

式中，VP为纵波速度；E为介质的杨氏弹性模量，ρ为介质的密度；μ为介质的泊松比。由于不同岩土体的杨氏弹性模量，密度及泊松比均存在差异，利用这一规律，当射线穿过被探测目标体时，将产生一个旅行时差，再根据地震波旅行时差特征和合适的反演模型即可判断震源与接收点间的岩土体情况(图1)。

图1 地震CT技术的工作示意

2 跨孔地震CT法探测岩溶

2.1 场地工程地质与水文地质条件

某市地铁5号线岩溶段第四系覆盖层厚 5～29 m，主要为第四系全新统海积层(Q4m)、全新统冲洪积层(Q4al+pl)、残坡积层(Qdl+el)，基岩为燕山期侵入岩辉绿岩(βμ)、震旦系甘井子组(Zwhg)白云质灰岩、震旦系南关岭组(Zwhn)灰岩、震旦系长岭子组(Zwhc)钙质板岩、板岩夹泥灰岩。基岩全强风化带厚度变化较大，中等风化基岩埋深介于5.5～46 m之间。

地下水共有两种存在方式：赋存于杂填土、粉土、细砂、卵石层中的松散岩类孔隙水，补给来源为海水及大气降水，水量丰富。赋存于基岩裂隙、岩溶裂隙或溶洞中的基岩裂隙水和岩溶水，补给来源为海水，水量较丰富。场区地下水与海水相连，地下水位受海水潮汐变化影响

2.2 观测系统布置

观测系统的布置与岩溶发育区的不良地质体的大小有关。本次工程的盾构机重心为5 m，考虑CT物探盲区应控制在4.5 m以内。按照下图进行CT测线布置。考虑到盾构机的直径，只需要有1 m 的分辨率所以其检波器的道间距设置为1 m(图2)。

图2 钻孔及测线布置示意

2.3 参数设置

参数的选取和现场的实际情况相关，本次探测区域两钻孔间跨度约15 m，钻孔完成后需要用PVC管进行预处理，防止塌孔，并在孔底进行密封，对管内进行灌水处理，以增强检波器串的耦合效果。由于本次勘测地区岩溶发育较强，遂采用5 000～7 000 J的震源作为实测震源，根据现场情况，在岩溶发育极为强烈的地段采用双电容箱加大震源激发能量，以此提高信噪比。

地震波激发采用纵波放电激发探头，激发能量为5 000 J。地震波接收采用24道检波器串，每个检波器间距为1 m 。探测过程中,将激发震源从孔底至孔口依次上提1 m ，激发点距为1 m，每5或10 m需要验证震源点的位置以保证探测结果的准确性。

2.4 实测数据处理

实验现场孔深约40 m，对于数据的处理先根据现场的参数设置进行记录选排，再进行初至波的拾取工作，根据得到的初至波时长，进行反演分析(图3)。

图3 地震初至波拾取示意

2.5 反演图像分析

某测线岩溶反演图及岩溶范围圈定图见图4。

图4 某测线岩溶反演图及岩溶范围圈定(波速/(km·s-1))

一般我们认为完整灰岩区域的波速大于4 500 m/s，灰岩裂隙区域的波速为2 800～4 500 m/s，上覆土层及岩溶充填区波速小于2 800 m/s 。

由反演图像及前期所得到的钻孔岩芯岩性，可以对岩溶发育区的不良地质体进行范围圈定，对于黑色区域部分(波速小于2 800m/s)，该部分波速明显与周围岩土体波速不同，一般考虑为充填淤泥或水的岩溶洞穴，对于充填淤泥或充水岩溶洞穴应在施工中特别注意；上图所示灰色部分(波速2 800～4 500 m/s)一般认为是岩溶强风化区域；对于(波速大于4 500 m/s)一般认为是完整基岩段,如图中完整灰岩区域。

3 结论

(1)地震跨孔CT层析成像技术的测试结果精度较高，能有效反映区间地层信息。虽然存在一定的误差，但对于地下岩溶、软土地层等不良地质体的探测能够满足隧道施工需求，可应用于隧道盾构前期预报中。

(2)数据反演结果的真实性和有效性直接影响目标体的探测精度，尤其是目标体范围的探测。在这方面对于反演的物理模型有比较高的要求，且地球物理探测具有多解性，除单一的跨孔地震CT方法外，对于岩溶等不良地质体的位置圈定需要根据地质钻孔等其他地质资料的相互印证。