鉆孔地質三維探測成像儀在溶洞探測中的研究與應用

石學錄 徐明江 宋 兵

1.廣州市建筑集團有限公司 廣東 廣州 510440

2.廣州建設工程質量安全檢測中心有限公司 廣東 廣州 510440

引言

碳酸鹽類巖被水的溶解作用，是巖溶區溶洞等其他巖溶構造形成的主要成因。天然物理狀態下，溶蝕過程涉及到方方面面各種復雜的物理化學過程，包括物質微粒的擴散運動[2]。

在區域地質構造活動中，斷裂、褶皺、節理等構造類型與成因也千差萬別，不同的成因具有不同的作用機制，導致巖石受力狀態不同，加上巖石本身特性的不同，使得巖石具有不同的破碎程度。因此，地質構造對溶洞等復雜巖溶區域地質的形成起著至關重要的作用。此外，地下水作用對溶洞的發育方向、規模與大小都有著重要的影響，不同的溶蝕方向與強度，造成了溶洞幾何形態和產狀的千差萬別。

1 成像原理

1.1 儀器概況

鉆孔地質三維探測成像儀利用鉆孔進行鉆孔大功率彈性波、超聲波成像技術，以超磁或壓電發射震源向鉆孔周圍360°空間發射并接收四個方向的聲波信號，從而掃描整個鉆孔周圍徑1～5米范圍圍巖的地質情況，生成四個方向的聲波探測影像圖。聲波探測影像圖可以計算分析鉆孔周圍巖體四個方向的有害地質體的距離、形狀，確定平面體積和鉆孔的夾角。

儀器配備高頻率37K超聲波以及低頻高能量3k聲吶發射裝置相結合，遠近搭配，高低頻搭配，并配置先進的方向定位裝置，每一道波形都有地理方向性，創新效果及實用性能更進一步。利用一個鉆孔即可探測出問題部位的方位、深度與距離，因此此三維立體探測成像儀器，對前期地質勘探幫助效果明顯。

在我國基礎設施建設中，樁基礎工程勘察鐘鉆孔周圍有害地質體的探測主要探測內容有斷裂帶探測、溶洞探測、軟弱巖層探測和地層分層等探測，并可以判定有害地質體位于鉆孔的哪一方向：為工程勘察提高精度、節約費用，提高效益。

1.2 彈性波層析成像技術

依據彈性波理論，彈性波可分為體波和面波。體波主要包括橫波和縱波，在無限或半空間中傳播。面波主要包括橫波（剪切波）、縱波（壓縮波）等，在無限或半空間中傳播。面波包括瑞利波、斯通萊波、勒夫波等，僅在波阻抗差異界面附近傳播。在液體填充的孔內及孔壁上，廣義的瑞利波沿孔的軸向傳播，稱作管波（Tube waves）。常見的管波有兩種類型：斯通萊波和準瑞利波（或稱偽瑞利波）。

鉆孔地質三維探測成像儀反演中使用是縱波和斯通萊波，利用鉆孔進行鉆孔大功率彈性波、超聲波成像。基于完整灰巖與巖溶(包括充填物)、溶蝕裂隙及上覆土層之間、巖溶與地下水存在明顯的彈性縱波波速差異（波阻抗差異），從而探測與尋找波阻抗界面，進而確定地下空洞的規模和分布（圖2成像原理圖）。

圖1 成像原理圖

簡單而言，就是利用彈性波的傳播特性，以射線法求解復雜介質的彈性波場。對彈性波方程(1)可得(2)所示的近似解。

其中，其中c為介質中的波速，r為震源至波面的法線距離，A為振幅，為波在空間中傳播的相位。由于波前面上每一點在同一時刻處于相同的相位,故通過討論波前的形狀及運動情況就可描述波在介質中的傳播過程,就得到一個具有純粹幾何特征的波面。

在層析成像實際應用中,針對探測目標及其背景介質情況,選擇合適探測源與發射頻率，也是結果是否真實可靠的關鍵。

2 工程實例

2.1 場區基礎地質條件

工作場區區域大地構造位置位于華南準地臺(一級單位)湘桂贛粵褶皺帶(二級單位)中的粵中坳褶皺束(三級單位)之東端，三水斷凹盆地(四級單位)。

在地質歷史上曾經歷過多次構造運動，其中華力西--印支運動使晚古生代發生過渡性褶皺，伴隨斷裂構造，構造線以北東向為主，次為東西向，而燕山運動規模最大，活動最強烈，對區域構造格局的形成影響較為深遠。新生代以來，本區的構造活動呈現由西北向東南逐漸增強的趨勢，喜山運動以來以差異性斷塊運動和斷裂的繼承活動為主，并伴隨基性偏堿性巖漿的噴溢活動。伴隨著劇烈的地質構造活動，該區域受地下水的長期溶蝕，在灰巖表面及灰巖體中形成溶洞及洼陷，使得后續基礎施工存在巨大的隱患[5]。

2.2 現場測試

在該項目中，我們選取了溶洞發育的鉆孔進行具體分析。其中圖2為鉆孔柱狀圖與圖3原始波形；柱狀圖揭露在20.40m進入巖面，并且鉆孔中存在1.70m的全充填溶洞。

經過原始波形數據反演可以得到波形數據深度、橫向分布范圍（圖4）。在深度20.30m處為粉質黏土與微分化巖塊的分界面，波形界面清晰；其中，中風化巖塊的厚度大約為0.4m；在中風化巖塊與粉質黏土的波形也存在明顯的界面。在20.30m與22.30為半充填溶洞，在波形上面有明確顯示[6]。

圖3 ．鉆孔柱狀圖

圖4 .原始波形

此外，對該孔位反演的波形數據進行具體分析，其現場鉆孔數據溶洞范圍位置與數據分析結果近似。

（1）20.30m為為孔旁土巖起伏界面，該層為溶洞的頂板；22.30波形趨于正常，為溶洞的底板，該界面清晰；深度22.30m處為孔旁土巖起伏界面，下付地層波形形態穩定一直，對照現場鉆孔柱狀圖分析均為微風化灰巖

圖5 .波形反演分析圖

（2）在深度16.60-19.10m，方位角154°-221°處波形出現異常波動，經過反演分析，該出為孔旁溶洞發育異常區域界面，疑似溶洞充填粉質黏土性溶洞；在深度19.30-23.50m，方位角281°-302°范圍內存在孔旁界面反射，疑似串珠狀溶洞。

3 結論

根據鉆孔地質三維探測成像儀的工作原理和在溶洞發育地區的探測結果,本文分析了溶洞探測中的理論基礎和溶洞探測的結果。

在溶洞發育的區域中,鉆孔三維地質探測儀可以清晰的分辨出鉆孔周邊溶洞的幾何形態和產狀，為后續樁基礎施工提供了巨大的安全性保障。其探測范圍為周圍5m范圍內的溶洞，但是對于橫向發展超過5m的溶洞還存在一定的未知性[6]。