跨孔地震CT在城市轨道交通岩溶勘察中的应用

2024-04-20刘杰

城市地质 2024年1期

摘要：跨孔地震CT（亦称为地震层析成像）是通过分析地震波在穿越探测目标体内部时其时长、波幅、能量、波速、波形等各因素的变化，对探测目标体进行速度成像的一种地下孔内物探方法，其具备了探测精度高、探测周期短、成本低等众多特点，主要用于地下目标体的高精度探测。目前，跨孔地震CT法已经广泛应用于灰岩地区城市轨道交通综合勘察，利用该方法可以有效查明线路范围内岩溶发育位置、深度及几何分布特征和规模，并可以判别基岩埋深和起伏情况，为后续地铁设计和施工提供必要地质依据。以广东省广州市某地铁岩溶勘察项目为研究对象，利用跨孔地震CT详细划分出了探测区域土岩界面，圈定出了溶洞及溶蚀发育位置，选取异常位置进行钻探验证。跨孔地震CT成果揭示，岩面和溶洞位置与钻探成果吻合程度高，巖面高程及溶（土）洞位置高程最大误差均在1 m之内。钻探、物探成果起到了相互补充、互相验证的效果。

关键词：跨孔地震CT；钻探验证；对比分析；准确性；误差分析；城市轨道交通

Application of cross hole seismic CT in karst exploration of urban rail transit

LIU Jie

（China Railway Sixth Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Tianjin 300000， China）

Abstract： Cross hole seismic CT （also known as seismic tomography） is an underground geophysical exploration method that analyzes the changes in the duration， amplitude， energy， velocity， waveform， and other factors of seismic waves passing through the interior of the detection target， and performs velocity imaging on the detection target. It has many characteristics such as high detection accuracy， short detection period， and low cost， and is mainly used for high-precision detection of underground target. At present， the cross hole seismic CT method has been widely used in the comprehensive survey of urban rail transit in limestone areas. This method can effectively identify the location， depth， geometric distribution characteristics and scale of karst development within the line range， and can also distinguish the depth and undulation of bedrock， providing necessary geological basis for subsequent subway design and construction. Taking a karst exploration of a subway project in Guangzhou， Guangdong Province as the research object， a cross hole seismic CT was used to divide the detection area into soil rock interfaces in detail， delineate the locations of karst caves and dissolution development， select abnormal locations for drilling verification， and obtain cross hole seismic CT results that reveal a high degree of consistency between the rock surface and karst cave positions and the drilling results. The maximum error in the elevation of the rock surface and karst （soil） cave positions is within 1 meter. The results of drilling and geophysical exploration have played a complementary and mutually validating role.

Keywords： Cross hole seismic CT; drilling verification; comparative analysis; accuracy; error analysis; urban rail transit

随着城市轨道交通的迅猛发展，地铁线路不可避免地需要穿越各类不良地质及特殊岩土区域，特别是岩溶发育区域，由于其构造复杂、类型多样、隐蔽性强等众多特点（谢小荣等，2021；周官群，2021），在一些岩溶分布面积较广的区域，容易导致突泥、塌陷等地质灾害发生，会给地铁设计和施工带来极大安全隐患和风险（李耐宾等，2019；史晓忠，2018；李志，2023）。在城市轨道岩溶勘察中最常用的方法为常规钻探，该方法成本造价高，且在城市中受场地条件、管线等因素影响，完成率难以保证，故需要辅以适宜的物探手段（万小乐，2022；杨永龙等，2021；邹子龙，2020），方能详细查明地铁线路范围内岩溶发育情况，因此通过选取有效合理的物探手段进一步探明地下岩溶发育程度、准确位置、规模变得尤为重要。我国在岩溶探查方面常用的物探手段有大地电磁法、高密度电法、地震反射法等（张午阳等，2021；路金波，2021；李开朗等，2023；丁肇伟等，2023），但是由于受到城市场地条件及干扰源等方面影响，该类型物探手段难以实现高精度探测要求，跨孔地震CT作为一种新型物探手段，可以利用地下介质的天然波速差异，通过研究地震波在地下介质传播规律，准确探测出岩溶区域溶蚀及溶洞发育情况，与传统物探手段相比，其具备了抗干扰性强、精度高的优点，因此近年来被广泛应用于地铁岩溶勘察工作当中（李迎春，2020）。

由于跨孔地震CT成果分析存在着数据多解性问题，通过该方法取得成果会产生一定误差，这就需要通过有效的验证方法去评估物探成果的准确性，同时根据验证结果进行不断的复解和修正，使其能更加客观、真实地反映出岩溶发育情况（陈祯平，2019）。本文以广州市某地铁车站岩溶勘察项目为例，利用跨孔地震CT详细划分出了探测区域土岩界面，并圈定出了溶洞及溶蚀发育位置，选取异常位置进行钻探验证，分析了跨孔地震CT结果的可靠性、准确性。

1 工程概况

车站为地下二层岛式站台车站，全长760.9 m，车站小里程端设置有轨排基地。标准段宽为21.7 m，车站基坑开挖深度为18.26～19.80 m，设计地面标高6.9 m。车站位于珠江三角洲冲洪积平原地貌单元，覆盖层主要为人工填土层（Q4ml）、海陆交互相淤泥、砂土、粉质黏土（Q4mc）、冲洪积相粉质黏土、砂性土（Q3+4al+pl）及残积粉质黏土（Qel），下伏基岩为石炭系下统大塘阶石磴子段（C1ds）中微风化灰岩。

场地岩溶强烈发育，溶洞多为半充填或无充填，少部分为全充填状态，充填物多为软塑粉质黏土或粉质黏土夹砂、夹灰岩碎屑等，较松软，溶洞中往往地下水较丰富。溶洞主要发育于浅层岩层，深部岩层溶洞发育较少，平面位置上发育随机性较大。

场地土层纵波波速小于1 400 m·s-1，溶蚀及溶洞发育区纵波速度为1 400～2 500 m·s-1，完整岩石（中微风化石灰岩）的纵波速度大于2 500 m·s-1，显著的波速差异为跨孔地震CT的开展提供了较好的物性基础。

2 研究方法

2.1 跨孔地震CT探测

1）钻孔及测线布置

钻孔沿车站围护结构（连续墙）中心线布置，车站左右线两侧钻孔按之字形布置，钻孔间距控制在18 m左右（每幅连续墙长6 m，每3幅连续墙布置1孔），车站右线布置于连续墙中心处，车站左线布置于每幅连续墙端头处，钻孔深度按钻探至围护结构底以下5 m考虑，如遇到溶洞，需钻穿溶洞至溶洞底板下3 m完整岩；跨孔地震CT剖面按同侧相邻两孔及对侧相邻两孔进行布置（郑江波，2019）。跨孔地震CT布设方案如图1所示。

2）跨孔地震CT探测成果

本站共完成21条跨孔地震CT剖面（CT对共37对）。从跨孔地震CT剖面成果图上看（图2），地层层状特征较为明显，弱风化岩面较清晰、连续，但起伏较大。该测区岩溶强烈发育，根据CT剖面成果，全区共推断划分19个溶洞，其中部分溶洞在不同CT剖面上均有反映，应为同一连通型溶洞，洞体规模较大；对独立溶洞，依据其剖面横向发育范围在地表的投影，对连通溶洞在平面图上进行合并圈闭，依据其最大的剖面横向发育范围在地表的投影，划出其平面异常分布范围。考虑跨孔地震CT方法的体积效应，溶洞平面异常范围在剖面左右各扩展1.5 m。探测成果平面图如图1所示，探测成果纵断面图如图2所示，推断溶（土）洞异常结果如表1所示。

2.2 钻探验证

成果验证方法采用钻探手段，根据钻孔揭露溶洞、溶蚀位置、规模及发育程度等岩溶特征，综合评估物探成果的可靠性与准确率。综合考虑，在左右线边墙之间选择4处剖面溶洞异常区，在每处异常区中间布置1孔进行验证，验证孔布设情况见表2，钻孔平面位置见图1。

本次实施4孔其中有3孔揭露有溶洞，其中1孔揭露串珠状溶洞（CTYZ-02），揭露基岩面高程为-10.4～-14.7 m，揭露溶洞洞高为1.9～5.9 m，钻探验证结果见表3。

3 结果与分析

3.1 探测成果分析

结合跨孔地震CT物探剖面图（图3），将钻孔投影至对应位置，分别对物探成果及钻探成果处基岩埋深、溶洞洞顶高程、洞底高程、溶洞高度进行统计分析，依据统计结果绘制图4。

由图4可知：钻探验证孔与跨孔地震CT成果揭示基岩面高差为0.1～0.6 m，在探测精度要求范围内；钻探验证孔与跨孔地震CT成果揭示溶（土）洞位置高差为0.3～0.8 m，溶（土）洞高度（规模）高差为0.1～2.7 m，均在探测精度要求范围内；通过上述对比分析，通过跨孔地震CT方法划分出的基岩面与钻探结果基本一致，跨孔地震CT成果划分（圈定）出的溶洞高程和大小与钻探孔实际揭示成果吻合程度较高。

本次驗证结果表明，物探弹性波CT方法在车站岩溶勘察中应用效果较好。

3.2 误差分析

跨孔地震CT验证中产生的误差分析如下：

1）跨孔地震CT法是根据地质体自身波速差异，解释岩溶发育位置及大小，其会受到走时观测误差的影响，一般情况会给探测成果带来一定误差。

2）跨孔地震CT法将三维空间按二维空间进行了转化，这会带来一定误差，从而导致较小的高速地质体（较小的低速地质体）未被解译出，会忽略土层中零星分布的体积较小的岩石（基岩中零星分布的体积较小的溶洞），也会导致划分出的基岩面（中微风化）具有平滑效果。

3）跨孔地震CT法在野外作业时，选取的接收点点距与发射点点距均为1 m，因此物探成果与验证结果的基岩面或溶洞位置高程差在1m范围内，属于正常误差。

4）对于土石界面附近低速区，跨孔地震CT一般定义为溶蚀凹槽或土洞，但由于溶槽与上覆土层波速差异较小，该处解译一般会存在误差，会把岩面附近偏软土层定义为溶蚀凹槽或土洞。

5）针对物探方法多解性，需从布置工作开始，搜集邻近区域物性资料及地质资料，在得出各类解译结果后，充分利用既有钻孔资料及验证资料，建立多种约束条件，逐一判断排除，当条件有利能够给出唯一解时，给出肯定推断意见，当条件受限时，应给出所有可能解中的最优解。

4 结论

1）本次跨孔地震CT成果揭示岩面与溶洞位置与钻探验证成果吻合程度高，基岩面高程及溶（土）洞位置高程最大误差均在1 m之内，满足地铁岩溶物探精度要求，钻探、物探成果起到了相互补充、互相验证的效果，成果准确可靠，可作为城市地铁后续设计、施工及注浆处理依据。

2）相比其他物探方法，跨孔地震CT法具有实施简便、采集数据多、效率高、分辨率高等优点，最主要其可以通过连续准确探测相隔较远的两孔之间的地质情况，弥补常规钻探和传统地面物探受场地影响缺点，因此该物探方法在城市地铁岩溶勘察领域有广阔的应用前景。

3）受走时、空间转换、探测间距、多解性等因素影响，跨孔地震CT法在探测过程中不可避免会产生误差，解译和处理数据人员需仔细研究误差产生的机理和原因，充分研究既有物性资料、地质资料，建立约束条件，通过多次反演计算，在得出的众多可能解中，准确定位最优解，以保证跨孔地震CT法精度。