跨孔彈性波CT技術在某船閘工程場地巖溶勘探中的應用研究

邢慶祝，楊志強，任衛波

（廣東省華南工程物探技術開發總公司，廣東廣州510510）

1 概述

在巖溶發育地區開展工程建設，如無法探明溶洞及溶蝕裂縫發育情況，盲目施工，必然會給施工及建筑工程安全帶來隱患。目前常規的巖溶勘探多采用地質鉆探或地面物探[1]。局部勘探也有采用管波技術的[2]。跨孔彈性波CT技術在一個孔內激發信號，在另一個或多個孔內多道同時接收信號，具有能量傳播的距離短、接近探測目標、避開低速帶等特點，能夠提供高分辨率圖像的優勢。近年來在巖溶勘探、裂隙帶勘探、采空區勘探及混凝土構件和堤壩滲墻質量檢測等工程地質領域得到了應用[1-8]。但其存在的問題也不容無視，例如，因為其激發信號能量的有限性，跨孔距離受限；需要成對鉆孔，鉆孔工作量大，勘探時間延長，勘探成本增加。此外，在成果資料解釋時也存在諸多問題，本文中筆者將結合工程實例，在鉆探與管波勘探資料對比驗證下，就該技術在巖溶勘探應用時成果解釋中存在的問題進行了重點分析和探討。

2 跨孔彈性波CT技術

跨孔彈性波CT技術也稱跨孔彈性波層析成像技術。層析成像技術包括基于射線理論的初至走時層析成像技術和基于波動理論的層析成像技術（也稱波形層析成像技術）[9]，使用較多的還是基于射線理論的初至走時層析成像技術。實際勘探工作中，根據得到兩孔間激發點和接收點的走時，先假定一個初始的介質慢度模型，用正演方法計算出理論走時，并進行射線追蹤，構造出射線路徑矩陣，求出理論走時與實際走時之差，形成時間殘差矩陣，從而形成反演方程，用反演方法求解該方程，即可得出介質的近似速度分布，構建兩孔間的速度剖面圖像。

3 工程實例分析

某船閘工程場地地處灰巖地區，前期勘察發現巖溶發育，已發現的溶洞基本都有固態充填物，以含礫粗砂為主，少量卵石。地下水位較淺，溶洞內固態填充物為飽水狀態。為詳細了解該區域巖溶發育情況，在開展了跨孔彈性波CT技術勘探的同時，采取鉆探和管波探測技術進行了勘探。

結合鉆探和管波勘探結果，將本場地巖土層分為4類：（1）覆蓋層，波速小于2800m/s；（2）溶蝕裂隙發育區波速在2800～4500m/s；（3）巖溶發育區（有固體充填物），波速小于2800m/s；（4）完整基巖（中風化），波速大于4500m/s。根據分類結果，對波速影像進行地質解釋，形成最終的成果圖。其中A、C區的成果圖及鉆孔平面示意圖見圖1。

從圖1可以看出，A、C區巖溶發育情況差異大，C區巖溶發育強烈，A區局部巖溶發育強烈。A、C區基巖頂面起伏均較大，形態陡峭，其中A區高程在10.2～26.5m之間，基巖埋深5.7～22.0m之間，A 003孔與A 004孔之間、A 004孔與A 001孔之間巖溶強烈發育，且基本連通；C區高程在10.2～21.1m之間，基巖埋深12.6～24.6m之間，該區溶蝕裂隙強烈發育，巖溶強烈發育，且規模大。

圖1 A、C試驗區成果圖及鉆孔平面示意圖

經過與鉆探資料和管波資料對比分析，跨孔彈性波層析成像技術結果與鉆孔、管波資料基本吻合。但在成果解釋時有幾個問題應引起重視：

（1）跨孔彈性波層析成像技術探測兩孔間巖溶區情況時，應注意其分辨率問題。對于鉆探揭露的小溶洞和溶蝕裂隙帶，跨孔彈性波CT成像圖上可能沒有明顯反映，如A 003孔高程22.9～24.2m范圍內鉆探發現有溶洞存在，但跨孔彈性波層析成像技術時波速偏高；

（2）根據成像原理，在均勻介質條件下，反演的巖土層波速與巖土層真實波速相近，在非均勻介質條件下，反演的巖土層波速受平均效應的影響，反演的巖土波速會受到較大影響。例如，對于A區，灰巖相對完整，波速較高，成像時，溶洞波速相對也較高，而對于C區，裂隙發育，地層復雜，反演出的溶洞波速相對A區溶洞波速明顯較低；

（3）淺層基巖面附近溶洞填充物與第四系松散層波速相近，跨孔彈性波CT成像時難以準確區分。例如，C001-C004剖面上，C001鉆孔資料和管波資料均顯示在高程11.6m以上為土層，10.3～11.6m為中風化灰巖，6.7～10.3m為溶洞，可是從成像圖上很難識別出中風化灰巖段，更難將溶洞和土層區分開。

4 結束語

在巖溶地區進行勘探，采用跨孔彈性波CT技術，可以克服常規工程鉆探“一孔之見”的不足和地面工程物探勘探難于詳細描述巖溶的形態及垂向發育深度的不足。但其本身存在的問題也不容忽視，例如勘探范圍有限，成本相對較高，分辨率有限，非均勻介質條件下反演的巖土層波速所受平均效應影響較大，淺層基巖面附近溶洞填充物與第四系松散層波速相近，存在難以準確區分等問題。在實際應用該技術時，只有充分認識其存在的問題，才能更充分地發揮其作用，更有效地尋求解決辦法，不斷推進技術的發展。

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