跨孔弹性波CT技术在某船闸工程场地岩溶勘探中的应用研究

邢庆祝，杨志强，任卫波

（广东省华南工程物探技术开发总公司，广东广州510510）

1 概述

在岩溶发育地区开展工程建设，如无法探明溶洞及溶蚀裂缝发育情况，盲目施工，必然会给施工及建筑工程安全带来隐患。目前常规的岩溶勘探多采用地质钻探或地面物探[1]。局部勘探也有采用管波技术的[2]。跨孔弹性波CT技术在一个孔内激发信号，在另一个或多个孔内多道同时接收信号，具有能量传播的距离短、接近探测目标、避开低速带等特点，能够提供高分辨率图像的优势。近年来在岩溶勘探、裂隙带勘探、采空区勘探及混凝土构件和堤坝渗墙质量检测等工程地质领域得到了应用[1-8]。但其存在的问题也不容无视，例如，因为其激发信号能量的有限性，跨孔距离受限；需要成对钻孔，钻孔工作量大，勘探时间延长，勘探成本增加。此外，在成果资料解释时也存在诸多问题，本文中笔者将结合工程实例，在钻探与管波勘探资料对比验证下，就该技术在岩溶勘探应用时成果解释中存在的问题进行了重点分析和探讨。

2 跨孔弹性波CT技术

跨孔弹性波CT技术也称跨孔弹性波层析成像技术。层析成像技术包括基于射线理论的初至走时层析成像技术和基于波动理论的层析成像技术（也称波形层析成像技术）[9]，使用较多的还是基于射线理论的初至走时层析成像技术。实际勘探工作中，根据得到两孔间激发点和接收点的走时，先假定一个初始的介质慢度模型，用正演方法计算出理论走时，并进行射线追踪，构造出射线路径矩阵，求出理论走时与实际走时之差，形成时间残差矩阵，从而形成反演方程，用反演方法求解该方程，即可得出介质的近似速度分布，构建两孔间的速度剖面图像。

3 工程实例分析

某船闸工程场地地处灰岩地区，前期勘察发现岩溶发育，已发现的溶洞基本都有固态充填物，以含砾粗砂为主，少量卵石。地下水位较浅，溶洞内固态填充物为饱水状态。为详细了解该区域岩溶发育情况，在开展了跨孔弹性波CT技术勘探的同时，采取钻探和管波探测技术进行了勘探。

结合钻探和管波勘探结果，将本场地岩土层分为4类：（1）覆盖层，波速小于2800m/s；（2）溶蚀裂隙发育区波速在2800～4500m/s；（3）岩溶发育区（有固体充填物），波速小于2800m/s；（4）完整基岩（中风化），波速大于4500m/s。根据分类结果，对波速影像进行地质解释，形成最终的成果图。其中A、C区的成果图及钻孔平面示意图见图1。

从图1可以看出，A、C区岩溶发育情况差异大，C区岩溶发育强烈，A区局部岩溶发育强烈。A、C区基岩顶面起伏均较大，形态陡峭，其中A区高程在10.2～26.5m之间，基岩埋深5.7～22.0m之间，A 003孔与A 004孔之间、A 004孔与A 001孔之间岩溶强烈发育，且基本连通；C区高程在10.2～21.1m之间，基岩埋深12.6～24.6m之间，该区溶蚀裂隙强烈发育，岩溶强烈发育，且规模大。

图1 A、C试验区成果图及钻孔平面示意图

经过与钻探资料和管波资料对比分析，跨孔弹性波层析成像技术结果与钻孔、管波资料基本吻合。但在成果解释时有几个问题应引起重视：

（1）跨孔弹性波层析成像技术探测两孔间岩溶区情况时，应注意其分辨率问题。对于钻探揭露的小溶洞和溶蚀裂隙带，跨孔弹性波CT成像图上可能没有明显反映，如A 003孔高程22.9～24.2m范围内钻探发现有溶洞存在，但跨孔弹性波层析成像技术时波速偏高；

（2）根据成像原理，在均匀介质条件下，反演的岩土层波速与岩土层真实波速相近，在非均匀介质条件下，反演的岩土层波速受平均效应的影响，反演的岩土波速会受到较大影响。例如，对于A区，灰岩相对完整，波速较高，成像时，溶洞波速相对也较高，而对于C区，裂隙发育，地层复杂，反演出的溶洞波速相对A区溶洞波速明显较低；

（3）浅层基岩面附近溶洞填充物与第四系松散层波速相近，跨孔弹性波CT成像时难以准确区分。例如，C001-C004剖面上，C001钻孔资料和管波资料均显示在高程11.6m以上为土层，10.3～11.6m为中风化灰岩，6.7～10.3m为溶洞，可是从成像图上很难识别出中风化灰岩段，更难将溶洞和土层区分开。

4 结束语

在岩溶地区进行勘探，采用跨孔弹性波CT技术，可以克服常规工程钻探“一孔之见”的不足和地面工程物探勘探难于详细描述岩溶的形态及垂向发育深度的不足。但其本身存在的问题也不容忽视，例如勘探范围有限，成本相对较高，分辨率有限，非均匀介质条件下反演的岩土层波速所受平均效应影响较大，浅层基岩面附近溶洞填充物与第四系松散层波速相近，存在难以准确区分等问题。在实际应用该技术时，只有充分认识其存在的问题，才能更充分地发挥其作用，更有效地寻求解决办法，不断推进技术的发展。

[1]邱庆程,李伟和.跨孔地震CT层析成像在岩溶勘察中的应用[J].物探与化探,2001,25(3)：236-240.

[2]刘世奇.地震CT和管波在长昆线岩溶勘察中应用研究[J].铁路建筑技术,2015,32(10)：74-77.

[3]毛先进,陈绍青,杨玲英,等.地震CT技术在复杂岩溶坝基渗漏探测工程中的应用[J].地震研究,2008,31(2)：171-173.

[4]潘纪顺,宋朝阳,冷元宝,等.地震波CT在混凝土防渗墙质量检测中的应用[J].CT理论与应用研究,2016,25(3)：311-317.

[5]孙文怀,刘伟,李长征,等.地震波CT在塑性混凝土防渗墙检测中的应用[J].华北水利水电学院学报,2013,34(1)：83-89.

[6]王建军,曹建伟.应用井间地震CT探测某桥墩基础处断裂[J].资源环境与工程,2008,22(2)：89-91.

[7]毛星.地震波CT在注浆效果检测评价中的应用[J].物探与化探,2012,36(1)：154-157.

[8]陈志超,罗旋,郭云峰,等.跨孔地震CT层析成像在盾构隧道超前地质预报中的应用[J].工程地质学报,2015,23(S)：773-777.

[9]杨文采.地球物理反演和地震层析成像[M].北京：地质出版社,1989：3-5.