跨孔地震CT在地铁岩溶勘察中的应用

史晓忠

（无锡市政设计研究院有限公司，江苏 无锡 214000）

0 引言

随着城市轨道交通的发展，越来越多的城市地铁建设都不可避免地要通过岩溶发育区。而在岩溶区进行施工建设，很容易引起地面塌陷、隧道突泥及突水等地质灾害问题。在无锡市地铁4号线的工程勘探中发现，部分灰岩地段发育有不同规模的岩溶，洞径几十厘米到十几米不等，岩溶类型为覆盖型，上覆地层为第四系沉积物。为了避免施工过程中发生事故，必须采取有效的手段查明岩溶的具体位置和规模。传统的钻探和物探方法由于其较高的成本及特殊性而很难对一些发育不均匀、地质情况复杂的岩溶得出全面而有效的分析[1]。相比较而言，跨孔地震CT技术可以借助前期钻孔释放弹性纵波，探测深度不受影响并可以查明横向连续的破碎带和空间分布，弥补了传统勘探方法的不足。此外，该技术还可对孔间岩土体进行逐层扫描，通过Matlab解译生成探测区的波速等值线云图，使得剖面内的地质异常体能更加直观地表现出来，因此跨孔地震CT技术用于探测岩溶分布是一种可行、理想的方法。

跨孔地震CT技术具有精度高、实用性强等优点，但其精度也受系统硬件性能及反演软件的影响[2]。此外数据采集现场条件的干扰，包括建筑物、路面交通情况等，导致测试结果存在一定的误差。本文采用已有的Matlab程序对原始波形进行滤波、反演计算介质波速，并在二维剖面内成像，以此来分析地下岩溶发育情况，弥补了前期地质勘探资料的不足，为后期工程施工提供参考依据。

1 研究区工程地质特征

本次研究区域为无锡地铁4号线3号标段四院站-河埒口站区间，如图1所示。线路主要沿惠河路、英俊路和蠡溪路，同时下穿青祁路高架、穿越产业新村和上蒋巷居民区。场区较平坦，现状地面标高在5.0～9.8 m之间。该场地地貌单元属长江三角洲冲积平原。无锡市位于扬子准地台下扬子-钱塘褶皱带东端。印支运动使该区褶皱上升成陆，燕山运动发生，使地壳进一步褶皱断裂，并伴之强烈的岩浆侵入和火山喷发。至白垩纪晚世渐趋宁静，该区构造格架基本定型；新生代以来，地壳运动总的特点是山区缓慢上升、平原区持续缓慢下降。工程沿线场区位于苏锡常断裂、和桥-阳山断裂交汇处，形成不同体系的构造断裂面错综复杂交织在一起的主要构造格局，如图2所示。并且沿线场区内主要断裂均为第四纪早、中期断裂，都不是晚更新世以来有活动的断裂。

图1 研究区工程位置图

图2 场地地质构造图

区内大部分地区被第四系地层覆盖，基岩裸露区基本分布在江阴复式褶皱和太湖北岸。在本工程区揭露的基岩为石炭系黄龙组地层，主要以微晶灰岩为主，夹有少量白云岩团块，块状构造。自下而上分别为微风化灰岩、中等风化灰岩、强风化灰岩。区域资料显示，地层层面向南东倾，倾角较缓，大部分在10°~20°之间。岩体中裂隙较发育。场区基岩埋深较大，岩体受上部岩土体自重应力作用，结构面闭合度一般。

2 现场跨孔地震CT试验

2.1 跨孔地震CT工作原理

常见的CT方法按激发与接收空间布局分为井地CT和跨孔CT；按物理场探测技术分为高密度电法、超声波法、地质雷达法、地震法。高密度电法由于电极与柏油路面耦合差，接地电阻太大，因此精度较低；超声波法由于岩石对高频吸收和衰减都比较快且散射严重，探测距离短；地质雷达法电磁波能量衰减强烈，在高导磁厚覆盖条件下，探测范围受到间距限制，且易受电线、电缆等非探测目标的干扰[3]。相比这些，地震法在井中或地面激发，激发能量和孔间距较大，只要钻孔不受限制其具有很高的精度。

跨孔地震CT是通过地质体（结构）的外部地震波走时和衰减的观测数据，来准确、可靠地反演出地质体内部结构的直观图像[4]。地震波穿透岩土介质时，其速度快慢与岩土介质的弹性模量、剪切模量、密度有关。密度大、强度高的岩石模量大、波速高、走时短，反之亦然。完整坚硬、孔隙度小的岩体波速高，吸收弱、能量衰减小；破碎岩体和松散的土体波速低、吸收强、能量衰减大，因而地震CT图像能可靠反映各类岩土体的分布界线及岩体的破碎程度和分布[5]。跨孔地震CT即在第一个孔内发射地震波，在第二个孔内用检波器接收，数据传输到地震记录仪中保存，后期再进行处理分析，把地震波传播路径叠加后成像，最后对地震波进行分析，以此来研究基岩深度范围内两孔之间测线上岩体中洞穴发育情况。

2.2 测线布置

在本次CT探测中，在激发孔中采用电火花作为激发震源，炮点间距0.5 m。在接收孔内布设100 Hz检波器串，检波器间隔1 m；为了提高检测精度，在第一次试验完成后，将100 Hz检波器串提高0.5 m，再进行一次探测。信号采用瑞典ABEM公司生产的RSA24地震仪进行采集，精度较高，完全可以满足工程要求；记录长度0.2 s，采样间隔0.125 ms；激发孔孔内1点激发，接收孔内12个点接收。钻孔深度大于隧道底板以下10~15m，为了减小沉渣对探勘的影响，将勘探孔深度定于探测深度以下1~2 m。测线布置采用一孔与周围多孔联合进行测量，有效减少了钻孔数量，节约了钻探成本。本次钻孔及测线布置如图3所示。

图3 钻孔及测线布置

在实测资料的数据处理中，按照数据滤波、拾取初至波走时、反演波速、CT图像成图的步骤进行。其中，CT图像反映的是成像剖面内弹性纵波的波速等值线云图。

3 结果与分析

本次探测共完成了17个物探钻孔、23条CT物探剖面。由勘探孔柱状图来看，基岩埋深21~32m，土岩界面起伏较大，石芽较为发育，存在古沟壑。由跨孔CT解译结果来看，岩体波速在2~3.5 km/s，探测范围内岩体的风化程度为中等，没有充填的溶洞波速小于700 m/s，被碎屑物充填的溶洞波速约700~900 m/s。根据比较跨孔地震CT结果波速等值线图和钻孔资料，将现场测试结果与钻探取芯结果进行对比，将场地地质异常类型分为裂隙、泥质填充型溶洞、溶洞、松散土体（空洞）。取场区内22号孔-109号孔测线为例，如图4所示。该等值线云图共揭示了3个地质异常点。

图4 22号孔-109号孔间CT探测解译岩体波速等值线云图

跨孔地震CT解译结果发现，场地地基下部灰岩段岩溶比较发育。经对20多条测线解译结果统计分析，共发现33处溶洞，其中泥质充填型25处，无充填溶洞8处，溶洞直径一般为0.5~1.5 m，个别达2 m以上；发现8处岩体破碎带，破碎带范围一般小于3 m。溶洞汇总如表1所示。

根据场地不同、区域岩溶的发育程度以及对盾构施工的技术要求需要，将隧道底板标高下10m深度范围内的地质异常点绘制成平面图，如图5所示。结合场区地质资料及本次跨孔地震CT的结果，绘制出了该场区的岩溶剖面图，如图6所示。从图6中可以看出岩溶发育呈垂直方向的多层性。

4 结语

（1）场区溶岩发育具有垂直方向多层性，且具有明显的强弱交替分布。溶洞多发育在高程-40 m以上范围内，发育较多但规模较小。溶洞充填率较高，全充填溶洞充填物多为硬塑状黏土，半充填溶洞充填物多为粉质黏土。

表1 溶洞汇总表

图5 隧道底板下10 m异常点分布平面图

（2）通过钻探与跨孔地震CT相结合的方法，查明了场地横向和纵向上溶洞的发育情况，弥补了前期勘察结果的不足。良好的测试效果表明跨孔地震CT在工程地质勘探中有着广泛的应用前景。

图6 场地岩溶剖面图