弹性波层析成像（CT）技术在高精度岩土工程勘察中的应用探讨

■陈志军 王赐鸿 高阳

(重庆地勘局208水文地质工程地质队 重庆 400700)

弹性波层析成像（CT）技术在高精度岩土工程勘察中的应用探讨

■陈志军 王赐鸿 高阳

(重庆地勘局208水文地质工程地质队 重庆 400700)

弹性波层析成像因其勘探精度高、可靠性高、图像直观、场地要求较小、抗干扰能力较强等特点被广泛应用于岩土工程勘察。介绍弹性波层析成像的基本原理以及关键技术，并结合实际工程案列，对弹性波层析成像（CT）技术在高精度岩土工程勘察中的应用进行了探讨。

弹性波层岩土工程勘察

1 引言

随着国家现代化建设的需要，各类工程建设对岩土工程勘察的技术要求越来越高，物探作为一种重要勘探手段，作用也越来越大。新时期的岩土工程勘察具有精度要求高、场地狭小、干扰大等特点，也给物探方法提出了更高的要求。弹性波层析成像（CT）技术具有勘探精度高、可靠性好、图像直观、场地要求较小、抗干扰能力较强等特点，广泛应用于：工程地质勘探、混凝土构件和堤坝防渗墙质量检测、地基处理或加固效果评价、铁路和高速公路路基病害探测等方面的高精度探测。

本文对弹性波层析成像的基本原理以及关键技术进行了介绍，并结合实际工程案列，对弹性波层析成像（CT）技术在高精度岩土工程勘察中的应用进行了探讨。

2 原理

计算机层析成像（Computerized Tomography，简称CT），是一种利用在物体周边所获取的某种物理量的一维投影数据，运用一定的数学方法，通过计算机处理，重建物体特定层面上的二维、三维的成像技术。

速度是目前弹性波层析成像最常用的参数，其利用弹性波在不同介质中传播速度的差异，确定一个沿路径的积分的图像函数d=∫f(,y)dl，即Radon变换。数据处理满足方程ti=∫dl/C(x,y)+δti根据弹性波信号初至时间数据的变化，利用计算机,通过对剖面速度场图像重建，来推断地质体的位置、形态和分布状况，是当前最为有效、最为精确的测试方法之一。

3 方法技术

3.1 试验工作（1）收发方式确定：根据激发方式、孔间距的不同，选择通频带、灵敏度合适的检波器。

（2）确定观测系统实验：成像区域的孔深和孔间距之比尽量大于1，最好达到2，陡倾角射线书越多，成像地质效果越好[3]，孔深不一致时，可采用浅孔激发、深孔接受；震源间距和接收器间距应小于探测目标体尺寸，一般取探测目标体的1/3，可以依据现场试验确定激发和接受器间距。

（3）采样参数试验：通过试验选择最佳的采样间隔、采样长度、前置放大倍数以及带通滤波频率等参数。（4）接收检波器一致性实验。3.2现场观测技术

首先要准确测量激发点及检波器的位置；其次与常规的地震勘探一样，可以采取多次叠加等方式减少随机干扰，增强有用信号；在井内完成一次完整的观测后，收发位置应互换实施第二次测量，这样一方面可以检验数据的可靠性，同时能减少随机误差，提高探测精度。如探测深度范围大于检波器串长度，则需要移动检波器串，此时应至少有一个检波点的重复测量。

3.3 关于提高分辨率的讨论

合理设计观测系统可提高分辨率。裴正林[4]等认为井间弹性波层析成像在水平方向最小分辨率为3个像元、垂直方向最小分辨率为2个像元，依据此理论设计适当的孔间距、炮间距和接收传感器间距，形成均匀分布、密集交叉的观测系统，以提高分辨率。

震源、接收检波器特性对分辨率也有影响。依据弹性波理论频率越高、波长越短、分辨率越高，可通过试验，选择震源努力产生主频较高的弹性波，可以大大提高分辨率；当激发接受间距较大时（尤其是陡倾角较大的激发接受对），可选择灵敏较高的接收检波器来观测到成有效数据较密集的射线网络。

分辨率与射线追踪方法也有关系，在地震层析成像反演过程中，最小走时路径追踪方法是采用数学物理方法进行弯曲射线追踪来实现。理论证明该方法更有助于精细地划分和圈闭异常体，提高分辨率。利用现有钻孔的地质资料、单孔波速测井、CT原始资料做联合反演也可提高分辨率。

4 应用实例

图1 地震波CT波速成像图

图2 重庆某水库大坝ZK5-ZK6地震波CT波速成像图

4.1 老建筑物基础探测重庆市区某高压铁塔周边由于建设需要进行了开挖，致使该高压铁塔成为孤岛，高压铁塔基础出现了险情，对周边大面积供电产生了影响，需要进行应急抢险，由于高压铁塔施工年代久远，缺少铁塔基础资料，要查清该基础形态，常规的钻探等无法达到目的。根据现场踏勘和物性分析，我们设计了地震层析成像（CT）探测。通过对野外现场采集数据的整理、反演，得到孔间地震层析成像

（CT）图像（如图1）。

4.2 重庆某水库大坝病害探测

重庆某水库大坝为重力土石坝，已使用很多年，坝身多处漏水，该水库蓄水能力较弱，且出现了坍塌的安全隐患，属病险水库，需要进行病险整治，该水坝下覆基岩为泥岩、泥质灰岩；坝身主要成分为块碎石土、粘土夹碎石。整治工程勘察需要查清水库大坝病患分布区、大坝坐落的基岩面形态以及完整情况，由于处于详查阶段，需求的勘探精度要求比较高，且仅通过钻探以及常规地面物探方法难以达到勘探要求，通过野外踏勘和物性分析，我们设计了地震层析成像（CT）方法。

图2为该大坝ZK5-ZK6剖面地震波CT速度成像图。从地震波CT波速成像图分析，该剖面岩土界面清晰；土体波速在600～1800m/s之间，岩体波速在1800～3500m/s之间。距ZK5号孔6.5～21m间深3.5～5.8m左右以及26～28m间深4.5～7.7m左右波速较低，推断解释该区域为大坝病害区域；该剖面基岩较完整，基岩埋深在8.6～14.2m之间。

可以看出本次地震波CT成像勘探工作查明所测段病患分布区、基岩面形态以及完整情况等。但由于此次地震波CT成像勘探孔较浅，受观测系统的限制，造成剖面边界波速值有些畸变，在一定程度上影响了探测精度，也从反面证明观察系统对分辨率和探测精度的影响。

5 小结

与传统方法相比，弹性波层析成像（CT）成果具有图像直观可靠、信息量丰富、分辨率高、适用性强等优点，在各种高精度的岩土工程勘查、建筑物无损检测以及大坝安全检测等方面都有良好的应用效果。但也存在工期较长，费用较高等缺陷，这就需要我们合理布置工作量。另外现有井中震源功率不够大，影响探测范围，如何改善发射功率是今后的发展方向，解决好该难题，该技术将会有更好的应用。

[1]中国水利电力物探科技信息网.工程物探手册 [M].中国水利水电出版社.2011.3; 355-395.

[2]魏儒义,周锦松,景娟娟,王新全,高晓惠,王乐.计算层析成像光谱技术研究进展 [J].光谱学与光谱分析,2010,10:2866-2873.

[3]郭建强.地质灾害勘查地球物理技术手册.[M].地质出版社.2003.11;181-184.

[4]裴正林,余钦范,狄帮让.井间地震层析成像分辨率研究.[J].物探与化探.2002.6;218-219.

照片1糯米坑ZK1-1矿石

照片2糯米坑ZK0-1矿石

脉石矿物主要为粘土类矿物，其次有石英、绿泥石、绢云母等。

2.2.2 矿石结构构造

结构：以粒状、放射状、微晶粒状及隐晶质结构为主。

构造：以土状构造为主，其次为块状、胶状、皮壳状、鲕状、角砾状、条带状、蜂窝状及松散状等构造。

2.2.3 有用组分含量

因前人对Mn、Fe、Au评价较深，本次工作只对Ag、Pb、Zn作了取样分析测试，所以本次工作没有对Mn、Fe、Au作详细评价。

矿体中Pb含量为0.30～6.07%，平均0.67%；Zn含量0.30～2.68%，平均0.418%；Ag含量几克/吨～194.60g/t，平均40.4 g/t；Au含量低。（Pb、Zn普遍低于氧化矿的工业指标）。

2.2.4 有用矿物赋存状态

据前人工作资料和本次取样分析，该类型矿床中银、锰为主要的有用组分，锰矿物是吸附银主要载体，其次为赤铁矿、褐铁矿，以及少量的自然金、自然银、方铅矿等。

2.2.5 矿石类型

据前人资料和本次工作的分析，我们认为糯米坑地段的银多金属矿是以受古风化壳控制的次生堆积矿为主，其与勘查区南部的新榕银锰矿床大致相似，即矿石均全部氧化，具有相同的矿物成分和结构构造。

成矿物质主要为连州断裂等近东西向构造活动提供，受风化作用经短距离搬运形成次生堆积成矿，在次生富集和燕山期次火山活动而发生叠加，形成较富的堆积矿。矿石类型为次生堆积全氧化银多金属矿石。

3 矿床成因探讨

主要因为区内缺少石炭系-侏罗系沉积，只见到白垩系的紫红色粉砂岩呈角度不整合覆盖在泥盆系及泥盆系以前的早古生代地层的风化面上，因此泥盆系含铁锰矿层在印支运动的后期暴露在地表，在晚三叠-早侏罗系炎热潮湿多氧的气候条件下，遭受强烈的化学风化，开始形成次生氧化铁锰矿；同时地层不断剥蚀，加上地表水作用影响，导致在灰岩中出现溶洞，地表已形成的矿体沿溶洞不断充填进去，久而久之形成断裂带上盘的矿体；另一部分在后期的断裂活动中，来自深部的元素不断的在盆地边储矿空间中富集，慢慢形成以含铅锌为主的锰矿层。

4 结论

前人在罗定盆地南缘寻找的铁锰矿主要为地表风化残留，而通过近年来共作发现在深部还有更大的找矿空间，拓展了该区的找矿方向。通过对比新榕锰矿发现，在黄胆岭以西一带，找矿潜力巨大，同时根据糯米坑地段的发现，可将前人发现的地表铁锰矿扩大，将连州地区铁锰矿储量进一步扩大，有望落实大-超大型矿床。据近年研究资料，该地区其他地段构造活动和燕山晚期岩浆活动强烈，并发育一系列张性构造，为金、银、铅、锌等元素成矿提供的有利的赋存空间，因此，该地区也是寻找原生铅锌多金属矿床的有利地区。

参考文献

[1]粤西罗定盆地南缘金银矿地质特征及找矿远景，黄圭城、汪雄武等.华南地质与矿产，2000，第一期：53-58.

[2]广东省罗定市新榕-连州银锰矿区普查地质报告 广东省地质调查院2003年7月.

[3]广东省罗定连州风化角砾岩型金银铁锰矿区详细普查报告 广东省地质局肇庆地质队1978年12月.

F407.1[文献码]B

1000-405X（2015）-10-172-2