跨孔地震CT在铁路桥梁基础地下岩溶勘察中的应用

2014-05-07邹炳举

铁道勘察 2014年3期

邹炳举

(铁道第三勘察设计院集团有限公司天津300142)

1 概述

流水对可溶性岩石化学溶蚀、机械冲蚀、潜蚀等作用之后，地下形成的空洞称为岩溶。地下岩溶严重影响桥梁基础的稳定性、桥墩施工进度及安全，在铁路勘察中必须将岩溶规模、边界准确查明，才能保证铁路桥梁基础的安全及施工进度。岩溶经常发育在可溶性的灰岩地层、岩溶与围岩之间，一般存在着明显的弹性波波速差异。基于该特征，可以利用跨孔地震CT技术探测岩溶。跨孔地震CT技术是一种分辨率较高、实用性较强的无损检测方法，自20世纪90年代以来，井间地震层析成像技术逐步进入实用化阶段，张平松［1］用其检测锚基基础断裂，毛先进等［2］利用跨孔地震CT技术解决了复杂岩溶坝基渗漏探测工程，张连伟、邱庆程等［3，4］将之应用于井间岩溶勘察工作中。从设备性能、数据采集及工程化应用等方面展开铁路桥梁基础地下岩溶探测的应用研究，为铁路勘察设计及施工提供技术支撑和安全保障。

图1 跨孔地震CT观测系统

2 方法原理

跨孔地震CT技术［5-7］是在两孔间采用一点震源激发多点检波器接收的扇形观测系统，组成密集交叉的射线网络(如图1所示)，激发点距视勘察所需分辨的目的体的大小而定，一般为1 m，构成跨孔地震CT成像激发、接收观测系统。

拾取直达波初至时间，利用射线追踪及CT反演得到两孔之间的弹性波速度分布图像:坚硬完整的地层波速较高，而受到节理裂隙发育、溶蚀洞穴的影响，出现波速异常，波速呈现相对低速，从而可以确定探测区域的基岩面、溶洞及裂隙发育等情况。

3 数据采集设备

野外数据采集中，可采用德国SWG1005型电火花作为激发震源(如图2左所示)，该电火花最大可产生1 kJ能量，震源主频高于500 Hz，为自动激发，无需人工控制，非常适用于这种需要多次激发、多次叠加的工作方法;地震信号接收采用德国产AQ-2000型12道水中地震检波器串(如图2右所示)，水听器频响范围为5～4 000 Hz，具有前置放大功能，可有效提高信号强度。

图3 典型桥墩逐桩钻孔布置示意

图4 跨孔地震CT一孔多收书记采集模式

图2 跨孔地震CT数据采集设备(发射机、接收机)

4 数据采集方式

当前高速铁路桥墩间距一般为32 m左右，上千公里铁路线，桥墩数量非常巨大，因此研究高效的跨孔地震CT野外数据采集模式，提高数据采集效率显得较为重要，铁路桥墩典型逐桩钻孔布置如图3所示，钻孔密集，相互间距离较近。

当前地震信号记录仪道数较多，多为24或72道，且可任意扩展。因此，可采用一孔激发、多孔接收的数据采集模式。如图4所示，采取一孔作为震源孔，附近两个或多个钻孔接收，实现一孔激发、多孔接收，将数据采集效率翻倍提升。

5 桥梁基础勘察应用

为了检验跨孔地震CT在桥墩基础地下岩溶勘察的应用效果，在某铁路大桥桥墩进行了跨孔地震CT的应用研究，图5为测线布置平面示意，激发孔号为10－ZD－000747，接收孔号为10－ZD －000743、10－ZD－00074，采用一发双收模式。

图6为跨孔地震CT成果，在高程162 m以上为粉质黏土，下部为灰岩，从跨孔地震CT成果图中反映出152 m高程以上溶蚀发育，在144～146 m高程存在一溶洞发育。为了验证成果是否准确，在该溶洞处进行了钻探验证，孔号为10－ZD－000748，图7为对应地质柱状图，从地质柱状图中也可以看到145 m高程处的岩溶，说明图6中跨孔地震CT结果对于岩溶的揭示是正确的。