基于彈性波CT技術的三維模型在巖溶發育區的應用

張琦 周杰 周天喜

摘 要 本文首先簡要介紹了彈性波CT的二維剖面的建立和三維建模，然后用實例詳細介紹了彈性波CT工作的流程和測試分析，同時對典型CT剖面進行了解譯，對比施工驗證結果，表現出其分辨率和工作效率高及空間位置準確等特點。最后建立三維地質模型，模擬樁基礎下方的巖溶分布，展示了巖溶的空間形態特征。三維模型的建立可較真實的表現巖溶發育的空間規律，在巖溶地區的施工和勘查中，合理的布置彈性波CT工作，科學的構建三維模型，可有效的避免重復勘察。

關鍵詞 彈性波CT；三維建模；施工驗證；樁基施工

中圖分類號：P631.4 文獻標識碼：A

Abstract： The article introduced establishment of two-dimensional profile of elastic wave CT and establishment of 3D model， then it introduced working process of elastic wave CT and test analysis by living example and interpreted classical CT profile， compared with construction test result and performed its features of high resolution ratio， high working efficiency and accurate space position. Finally， 3D geologic model was established， the karst distribution under simulated pile foundation displayed spacial morphological character of karst. The establishment of 3D model can perform spacial regularity of karst development， reasonable distribution to the working of elastic wave CT and scientific 3D model construction in construction and prospecting of karst areas can avoid repeat prospecting effectively.

Keywords： Elastic wave CT； 3D modelling； Construction identification； Pile foundation construction

0引言

在我國巖溶地層分布廣泛，巖溶地區[1]的地基穩定性是建設橋樁基礎的關鍵，彈性波CT法作為一種新興的物探方法在巖溶探測領域中已經悄然興起。本文應用實例對該方法在橋基探測的有效性和實用性方面進行充分的驗證。

彈性波CT（Computed Tomography）是地震CT當中的一種，是地震成像的一種手段，是重要的工程物探方法之一。這種技術利用大量的地震波信息進行專門的反演計算，測得巖土體的彈性波速分布規律。本文首先以剖面“圖像”的形式反映巖溶的分布形態及連通性，然后數據化彈性波CT剖面并結合鉆探資料構建三維初始模型，經過人機交互后修正完善模型，最后運用最終構建的模型直觀展示巖溶發育的空間形態特征。

1方法原理及技術路線

1.1 二維剖面的建立

首先通過扇形測試獲取大量的首波走時數據（ti），然后通過求解大型矩陣方程來獲取兩孔之間速度剖面圖像，根據速度剖面圖像可以直觀準確地判定隱患大小分布，是目前最為有效最為精確的測試方法之一。設在成像剖面內共測有N條射線，首先根據測試精度將破面分為M個單元（網格），以射線理論為基礎的成像方法歸結為解如下方程：

式中：dij是第i條射線在第j個單元內的路徑長度；Sj=1/Vj是第j個單元的慢度值；ti是第i條射線的走時值。

應用快速射線追蹤技術和SIRT算法求解上述方程，可以得到慢度值Sj的分布（即相應的離散速度分布），從而實現孔間的速度場層析成像[2，3]。

彈性波CT法，其原理是在一個鉆孔內激發震源，另一鉆孔接收彈性波，得到彈性波在兩孔間的傳播速度。如圖1所示，將震源定在孔口，接收檢波器串從孔口至孔底掃描一遍，然后把震源下降一定的步距，接收檢波器串再重復上述工作，直到震源下到孔底為止。拾取儀器所記錄的從每一激發點至對應的每一接收點的地震波走時，利用拾取的地震波走時數據，采用基于惠更斯原理的網絡追蹤算法—最短路徑射線追蹤法，進行反衍射線追蹤；用最小二乘或分解算法求解大型線性方程組，進行遞歸迭代反演，從而得到被探測區域的波速圖像。

1.2 三維建模

隱式建模方法可以省去繁瑣的人工操作過程，通過計算機自動化完成建模過程，并且結果也更加精確。通過協克立格估值來進行勢場域的插值，并將地質規則運用到了建模過程中。

技術人員利用三維地質建模軟件能夠使用DTM[4]、剖面、地質解釋資料、鉆孔等，并綜合考慮了構造地質的參數如傾角、傾向、走向、樞紐、軸面等構建地質體的幾何模型。專業技術人員還能夠根據其對地質情況的理解，加入專業知識，編輯修改模型，直到模型相對合理，建模工作流程詳見圖2。

2應用實例

2.1 工程概況

曲江大道為廣東省韶關市在建的市政道路，江灣大橋是此道路的控制性工程，全長1027 m，橋寬42 m，為一座矮塔斜拉橋。此橋跨越北江，主墩位置有區域斷裂通過，基巖巖溶十分發育，橋樁設計多次變更，主橋墩設計樁長一般在70米至100米間。

場地地層從上而下為：沖積的粗砂、卵石、石炭系的中風化石灰巖（局部區域發育角礫巖）。下伏的石灰巖巖溶極為發育，超前地質鉆探發現主橋墩的鉆孔見溶率為100%，單體溶洞垂直高度一般0.2～9.2 m，平均為1.91 m；串珠狀溶洞高度一般為3.1～17.5 m，平均為10.87 m。場地位于北江江面的臨時棧橋上，由于下臨北江且江水所呈現的低阻特征對地表電流、電磁波等起屏蔽作用，因此無法采用高密度電法、地質雷達法等常規方法對場地的巖溶發育[5]情況做判斷。基于此，選取鉆孔彈性CT法查明主墩身位及下方巖溶的發育情況，從而優化設計，指導施工。

2.2 測試工作

鉆孔布設于墩臺基礎四周，彈性波CT剖面線布置成矩形和交叉狀（見圖3）。物探勘探孔布置工作遵循盡量用較少的鉆孔數量，使得較多的CT剖面完全覆蓋29個設計樁位的原則。為保證彈性波CT信號接收穩定，提高采集數據質量，彈性波CT剖面所使用的鉆孔間距一般小于25 m。基于以上兩點，主墩布置CT收發孔14個（編號ZK16-1～ZK16-14），利用14個收發孔可完成28對彈性波CT探測，實現29個設計樁位的全覆蓋，極大地減少了鉆探工作。

2.3 測試成果分析

本次探測工作，共布置28對彈性波CT剖面，其中16#樁基位并未布置物探勘察孔，在施工中16#樁基鉆進至標高7.95 m，鉆孔深度49.5 m，孔內突然出現漏漿、垮塌情況。16#樁基位于鉆孔ZK16-4與ZK16-3連線上，可通過分析ZK16-4與ZK16-3的彈性波CT綜合斷面圖（圖4），獲取16#橋墩的地層分布信息。分析認為，ZK16-4與ZK16-3間的覆蓋層（粗砂、卵石）的縱波波速一般為1500～2800 m/s，中風化石灰巖波速一般大于3400 m/s，溶洞內介質傳播波速與所填充物質不同有所差異，但一般小于3400 m/s。根據波速與溶洞發育帶和完整巖體的關系，可以推測16#樁基位在標高6.98 m處發育溶洞且主要填充物為礫石，與施工中塌孔處標高（7.95 m）極為吻合。

通過類比分析，其他27對彈性波速度剖面解譯成果與鉆探資料及施工現場揭露的地質信息吻合程度較高，表明彈性波CT法可較好的探明巖溶發育程度、范圍、埋深及形態特征，除此之外還可獲取如覆蓋層界面、完整基巖分布、溶蝕裂隙發育帶等豐富的地質信息。

2.4 三維建模

2.4.1 數據準備

（1）鉆孔數據

建模前需要對鉆孔數據[6]進行預處理，處理完后的鉆孔數據分為二個文件（.csv格式）：第一個文件記錄的是鉆孔的空間坐標及深度見表1，第二個文件記錄鉆孔的地質信息見表2。

（2）剖面數據

本次建模的區域有28個剖面數據；本次剖面數據主要是data文件格式見圖5：

（2 INTERFACES）首個數字應該代表導入的地層填圖的種類；interfaces代表生成的意思；所以首行應該是先聲明生成多少個地層，然后緊接著是表明要生成的地層分界線（INTERFACE XX LowerCover），生成的地層分界線有幾個點（上圖是有五個點組成的地層分界線），再下面是這5個地層分界點的坐標，如果有地層的產狀，在下面標識。5 associatedorietations表示有5個產狀點，再下面是是產狀點的坐標（u、v）傾向和傾角。后面的數字1代表polarity；1代表Normal；-1代表Reverse（Overturn）。后面的LowerCover代表地質填圖單位。如果沒有產狀點的話就是0 associateorientation；最后以0 FOLIATIONS結尾。

2.4.2 建模流程

（1）創建填圖單位并定義地層序列

創建地層并定義地層序列（要不同的地層用不同的顏色來表示），整合接觸的地層歸并到同一地層序列中，并定義地層序列之間的接觸關系（Onlap和Erod），生成地層柱狀圖。地質規則體現在柱狀圖中。

（2）導入鉆孔數據

導入鉆孔數據，使鉆孔在三維立方體中顯示。導入了鉆孔數據后就可以從二維和三維的角度來查看鉆孔上的一些特征。鉆孔分布和所在位置的高度（圖6）、還有鉆孔上的顏色，有的鉆孔只有一個顏色，有的有許多顏色，顏色代表地層。證明有的鉆孔上只有一個地層，而有的鉆孔上有多個地層。

（3）創建剖面

導入或繪制剖面（圖7），為后面導入剖面數據做準備。

（4）導入剖面數據

在剖面圖中導入相對應的剖面數據和添加相對應的產狀點見圖8。接觸點數據用來說明空間中地質界面的分布，產狀點數據用來說明空假中地質界面的變換規律。出露的地層可以直接在地形表面添加接觸點數據和產狀數據，不出露的地層需要首先找到哪些鉆孔上有這些不露出地層的信息，然后劃定經

過這些鉆孔的剖面（剖面線的軌跡可以是曲線），再將鉆孔投影到二維的剖面圖中，最后在剖面圖中根據鉆孔的分層信息添加這些不出露地層的接觸點和產狀點數據。

（5）計算模型

當全部的額數據導入到模型中后，就可以選擇一部分數據或者全部數據來建立模型[7]，建立完模型以后，當鉆孔數據與剖面等其他數據矛盾時，以鉆孔數據為主。因為鉆孔數據擁有更高的可靠性。同時，將鉆孔數據投影到剖面上后，修正剖面上的不一致性數據。

以實測和收集該區域本次物探勘查的鉆孔柱狀圖、彈性波CT解譯成果等數據為主，輔以超前水平鉆勘查成果，建立數據倉庫，采用動態、分級建立模型的技術，選擇地層精細程度，在建模參數設置后，自動建立模型，加以人機交互修改完善，使之與實際地質情況相吻合。

圖9為江灣大橋主墩巖溶發育分布三維成果圖，根據巖溶主要發育區域按標高和空間形態、位置等關系，巖溶發育區劃分為三個主要發育層位：

標高10～-20 m，巖溶發育呈不規則形態，主要分布在勘查區的東西兩側，中部弱發育，其中西部巖溶發育強度、規模和深度強于東部。

標高-20～-40 m，巖溶發育呈現不規則和部分連續發育特征，主要位于勘查區的東部和中部，西部弱發育，東部和中部溶洞或串珠狀溶洞連通性較好，巖溶發育埋深呈東“淺”西“深”趨勢。

標高-40～-50 m，巖溶發育深度較大，主要分布于勘查區的中部，巖溶埋深較大。

3 結論

工程實踐表明，彈性波CT法可精確查明基巖面的埋深、形態起伏、溶洞分布形態及溶蝕裂隙發育范圍。通過鉆探結果的驗證，有較好的吻合性，在項目實施和設計中，可作為優化設計和指導施工的依據。通過彈性波CT剖面構建的三維模型，能更加形象生動、宏觀的認識巖溶發育的整體形態，利于信息化施工。彈性波CT法克服了工程鉆探中“以點帶面”的不足，采用鉆探與彈性波CT相結合的方法，可避免重復勘察，同時科學的布置彈性波CT剖面，可大量的減少鉆探工作量，從而降低工程造價。

參考文獻/References

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[7] 陳國旭， 吳沖龍， 張夏林， 田宜平， 劉剛. 三維地質建模與地礦勘查圖件編制一體化方法研究[J]， 地質與勘探，2010，46（3）：542-546.