弹性波CT 在岩溶区桥梁桩基勘察中的应用

许 韬

（广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东 广州 510060）

0 引言

岩溶地区溶洞、暗河、石柱等地质现象发育，岩面起伏剧烈，溶洞深度、顶板厚度不一，常用的钻探方法只能确认钻孔直径范围内的岩体有无，却无法反映溶洞的大小、形态及连通性。

为查明地质体的空间分布情况，工程中常采用物探结合钻探的方法[1]。跨孔弹性波CT 是计算机层析成像（computerized tomography，CT）技术的一种。弹性波根据波源又可分为地震波和超声波。地震波信号能量大，透射距离长，适用于大型地质体的探测[2]。Gustavasson 等在瑞典北部铁矿将人工地震CT 应用于矿产探测，广东省地质物探工程勘察院于1994年开始采用跨孔地震CT 层析成像方法开展岩溶勘察[3]，李容[4]指出跨孔CT 在岩溶区桥梁勘察中有较好的应用前景，熊锋[5]使用跨孔CT 技术在长江和海域岩溶勘察中，都取得了良好的适用性。

桥梁桩基一般具有单桩承载力高、直径大等特点，常采用嵌岩桩。在岩溶发育区需充分摸清地质情况，确保持力层完整、稳定。对于大直径灌注桩，即使一桩两钻，也存在较大概率未发现桩身及承载力影响区内的溶洞[6]，且钻孔的深度不好把握。工程中为了确保穿过溶蚀发育区，钻孔深度常远超规范要求。本文通过分析广州某大桥跨孔弹性波CT 探测和钻探的结果，探讨了通过CT 指导钻探的可行性。

1 工程概况

项目位于广州市白云区，场区岩溶发育。现采用跨孔弹性波CT 法对桥址范围进行勘察，以查明岩溶发育情况和空间分布。大桥在河道南北两侧各设一个主墩，呈梅花型布桩。每墩总桩数均为26 根，桩径2.4 m，采用冲孔灌注法施工。

根据地质钻探提供资料，工区内覆盖层主要为粉质黏土、中砂、粗砂、淤泥质粉质黏土等，下覆地层为石灰岩和炭质灰岩，溶洞多为无填充。溶洞内介质与围岩之间存在极为明显的波速差异。这种波速差异的存在，为本次使用的跨孔弹性波CT 法查明溶洞的分布提供了较好的物性条件。

2 物探工作方法

2.1 跨孔弹性波CT 工作原理

地质体中土层、岩层、空洞的压缩波速往往不同[7]，利用钻孔布置若干个震源激发点（炮），在另一个钻孔内布置若干个接收点（检波点），记录下各发射-接收对的初至时间。结合钻探得到的边界条件，利用计算机反演可得探测范围内各单位格地质体的波速，进而推断出地质体的类型[8]，示意图见图1。

图1 跨孔弹性波CT 法观测系统示意图

2.2 CT 剖面布置

南岸桥墩分左右两幅，均为梅花型布桩，x 和y方向的桩心间距均为7.4 m，桩径2.4 m，钻探工作采用1 桩2 钻，成孔后及时跟进PVC 套管，防止塌孔。

CT 探测布置了两套方案。方案1 为在正方向上逐孔探测，孔距约7.4 m。方案2 为隔孔探测，孔距约14.8 m（见图2 中CT03 和CT03-2）。在对角线方向上同样如此，如C T14 有孔距约10.5 m、孔距约20.9 m 两种方案。设置不同间距的剖面可以对钻孔周围多方向进行探测，同时验证探测的有效性。

图2 剖线布置平面图（单位：m）

2.3 现场技术参数

在发射孔按1.0 m 间距设置激发点，在接收孔按1.0 m 间距设置接收点，保证每一个激发点，在接收孔中进行全孔接收，见图1。钻孔全部位于水面以下，以水为耦合介质。探测深度一般为探头能下放到的最大深度，且接收点和发射点的倾角不大于45°。采集仪器为由美国Geometrics 公司生产的Geode 型浅层地震仪，震源德国Geotomographie 公司生产的IPG 1005 高压储能发射器，接收探头为两套CH-3R型高灵敏度12 道声波探头。野外工作开始前，现场进行了方法参数试验。根据现场试验资料，跨孔弹性波CT 法选择的野外工作参数如下：

测试工作频率：≥1 000 Hz。

接收点距：1.0 m。

激发点距：1.0 m。

采样间隔：20.833 μs。

滤波通带：400～4 000 Hz。

接收信道数：24 道。

叠加次数：2～5 次。

2.4 反演技术参数

根据初始速度模型和初至时间，应用国内最成熟的CT 反演软件，选择1 m×1 m 的节点间隔，进行叠代计算，反演跨孔剖面的波速影像。根据反演得到的速度模型，以100 m/s 速度间隔进行色分，叠加工程地质剖面图，制作波速影像图。最后结合钻探资料和岩土层波速范围和特征，分类对波速影像进行地质解释。

丘红燕等［23］报道，中国人群使用非标准剂量（0.521～0.833 mg/kg）阿替普酶静脉溶栓疗效与标准剂量（0.9 mg/kg）具有相同的疗效和安全性，最佳剂量范围为0.6～0.9 mg/kg。本研究结果显示，中国人群使用标准剂量阿替普酶静脉溶栓的总有效率和远期预后良好率均大于低剂量组（0.6 mg/kg），说明标准剂量的临床疗效优于低剂量。

3 成果分析

3.1 成果概述

探测工作由广东省地质物探工程勘察院完成，根据剖面布置方案和现场施工情况，共完成跨孔弹性波CT 法63 对剖面，总计完成检波点（炮）96 739个。根据反演结果，可以得到钻孔间地质体的波速分布图，结合表1 和钻孔资料，可以得到横、纵、斜各剖面溶洞（浅灰色部分）的发育情况和基岩（深色部分）的分布情况，见图3。

表1 土体特征参数

图3 CT 剖面探测结果

3.2 持力层判断

岩溶发育区的岩层形态极不规则，而大直径灌注桩往往要求持力层范围内的岩体较完整，否则可能发生漏浆、桩身倾斜、承载力不足等事故。

以16 号桩为例（位置见图2），初勘钻孔LSQ zk5显示在标高-43.7 m 以下，未揭露溶洞。详勘阶段钻孔LSQ zk5-1 显示，-49.8～51.1 m 处有小溶洞，但整体岩层仍较完整，N-S 方向CT10-1 剖面显示除钻孔揭露的直径约1m 的小溶洞外，岩层较完整。NE-SW方向C T14-1 剖面显示此处溶蚀裂隙发育，W-E 方向的CT03-2 剖面显示，-43.6 m～51.1 m 处溶洞发育，结合测线CT02 和CT01 发现，此处可能存在溶洞、地下河（见图4）。

图4 同一钻孔不同方向CT 剖面探测结果

由此可知，在某个剖面上，看起来是完整的基岩，但换一个探测方向，可能就会发现桩底或者周围有溶洞，这与岩溶发育区的不均匀性有关。因此仅通过一个钻孔或者一个剖面，难以确定地层的空间分布情况。如果草率地确定持力层，就会增大持力层范围内溶洞漏判的概率，造成重大变更，甚至发生安全事故。

3.3 CT 成果的验证

逐孔探测钻孔间的探测成果无法验证，因此本次探测采用先隔孔探测，再施工中间钻孔的方法，利用中间钻孔的资料，对CT 探测结果进行验证。

以测线CT03 和CT03-2 为例，其中小间距为方案1，大间距为方案2（见图5）。可以看出两种方案揭露的地层分布整体相似，小间距反映出的地质体边界更为精细，可以揭露尺寸更小的地质体，如图箭头所示逐孔探测揭露有两个直径1～2 m 的溶洞，在隔孔探测中反映为一个合体的溶洞，说明在对于小尺寸地质体的探测中，钻孔间距的增大可能会导致精度的降低。隔孔探测对岩溶发育区的整体分布规律揭露良好，如浅层的漏斗和落水洞、深层的溶洞（最大洞高约6 m，或为地下河），反映的尺寸和形态与逐孔探测结果吻合良好。隔孔探测揭露的地质交界面深度与钻探成果一般有着0.5～2 m 的“误差”，由于参考钻孔的平面位置并不精确地位于测线上，无法确定误差完全来自CT 探测。

图5 同一剖面不同孔距探测结果

3.4 CT 对钻探的指导

岩溶地区的钻探难点在于确定钻孔的深度，《岩土工程勘察规范》要求勘探深度不应小于底面以下桩径的3 倍并不小于5 m。然而在实际钻探过程中，由于无法确定是否已经穿过发育区，或者当前岩层满足承载力要求，因此往往会选择增加钻孔深度，甚至达到基岩面以下15～20 m。这样一方面增加了工期，另一方面仅靠钻探仍然无法确定持力层内是否存在对工程产生影响的溶洞。

以图6 箭头所示钻孔为例，该钻孔位于测线CT14-1 与CT15 的交点上（见图2），可以先施工周围钻孔，通过CT 对桩径范围内的地质情况进行超前预报，初步确定持力层的位置，再进行钻探+管波实现定点精确探测，增加探测结果的可信度，同时可以适当减少不必要的钻探工作量。后续据施工单位反映，该桥冲桩过程与提供的地质资料基本相符，桩基施工进展顺利。

图6 经过同一钻孔的不同剖线

4 结语

（1）在岩溶地区对桥梁桩基工程的地质勘察中，经钻探验证，跨孔弹性波CT 法可以准确预测漏斗、溶洞、基岩等地质体的空间分布，是一种高效准确的工程物探方法。

（2）岩溶地区的地质体发育往往极不规律，对于大直径桩，建议采用一桩多钻+多个方向的CT 剖面探测，减少持力层范围内溶洞漏判的概率。

（3）对于群桩基础，建议先进行隔孔钻探，马上跟进CT 探测进行超前预报，再实施中间钻孔，以提高勘察工作的效率和可靠性。