地震波CT技術在高鐵巖溶勘察中的應用

崔竹剛

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

引言

在巖溶發育地區進行高速鐵路工程的勘察設計工作，需要直面的一大難題就是對巖溶發育程度及空間賦存形態的探查工作。巖溶發育不僅對基礎的承載力產生巨大影響，同時會直接決定巖溶空腔的填充處理設計方案和工程投資。由于巖溶發育具有不規律性，傳統的鉆探勘察方法僅為單點之見，難以有效查明鉆孔之間的整體巖溶空間分布狀態。而跨孔的地震波CT物探技術則可以有效彌補鉆探工作在巖溶勘察中存在的不足，為分析巖溶在勘察區域的整體發育情況提供重要參考。

已有許多學者開展相關研究，吳茂林等對地震波CT技術的發展歷程進行梳理，認為CT技術在近幾十年取得了長足發展[1]；段寶平等對井間地震技術的研究現狀進行了詳細分析[2-4]；張平松等對地震波CT技術在礦井物探工作中的應用進行總結，得出了該方法在礦井工程中應用的適用性[5]；許韜對地震波CT探測技術的精度影響因素進行分析，認為其主要受射線角度、密度、波長及反演方法等影響[6]；王猛等將地震波CT技術應用于明十三陵的文物檢測工作中，并取得了良好的效果[7]；黃鑫磊采用井間井地聯合CT成像技術對南京市某地區的路面塌陷進行了探測，成功獲取了該區的塌陷特征[8]；扈本娜將彈性波CT技術應用在某水庫大壩壩基的檢測中[9]；吳平等將鉆孔CT技術應用于某大壩的溢洪道底部溶洞的穩定性分析評價中，并結合數值模擬技術，成功完成了相關分析評價工作[10]；趙武陽依托南京某工程巖溶探測項目，采用跨孔地震波層析成像技術，經過后期反演成像，最終證明了該方法在巖溶探測工作中適用性[11]。

綜上所述，地震波CT技術經過幾十年的發展和研究，在理論技術上已逐漸成熟。該技術具有解譯方法清晰、成像精度高、外界干擾因素少等優點，并具有廣泛的適用性。

1 地震波CT技術工作基本原理

跨孔地震波CT層析成像技術通過測試鉆孔間巖體波速并反演其速度分布，經計算機重建鉆孔間的內部結構，可以可靠地反映出孔間的地質情況[13]。在現場操作過程中，主要通過某個鉆孔來激發地震波，利用其余鉆孔的檢波器來接收地震直達波，最后通過疊加成像原理來獲取被探測體的物理性質和空間分布特征[14-15]。

彈性波在不同傳播介質中傳播時，會發生透射、反射或者吸收現象，這會導致相同震源的地震波穿過不同介質后的波速圖像各不相同。作為工程建造基礎的巖土體，由于成因和后續漫長地質歷史時期的改造變化，其特性、節理裂隙的發育程度及巖溶發育區域的溶洞賦存狀態和填充程度等均存在較大差異。探測用的彈性波在致密完整的巖體中傳播時，波的吸收和衰減現象不明顯，且波的傳播速度較快；而在節理裂隙發育、巖溶空洞發育且結構疏松、風化嚴重的巖土體中傳播時，會造成較大的吸收和衰減現象，波速值會明顯降低。

跨孔的地震波CT探測技術正是基于上述原理，當地震波通過致密的灰巖區域時，波速變化不明顯；而當通過巖溶發育且填充不良的區域時，波速衰減現象非常嚴重。因此，通過采用適宜的算法進行重建，可以得到跨孔區域之間巖土體的波速CT圖像。根據圖像和不同物性對波速的反映規律，可以間接判斷出跨孔之間巖土體的特征和巖溶的發育規模，探測系統布設示意見圖1。

圖1 地震波CT技術探測系統布設示意

2 工程實例

2.1 工程基本概況

滬昆高速鐵路工程是我國規劃的“四縱四橫”快速客運網骨架之一，本次開展跨孔地震波CT物探工作的是滬昆高鐵韶河特大橋，橋中心里程為DK61+339.36，全長1 330.36 m，橋址區地處丘間洼地及剝蝕丘陵區，地形起伏較大。勘察深度范圍內所揭露的地層自上而下為第四系全新統堆積層、第四系全新統沖洪積層及第四系上更新統坡洪積層石炭系上中統灰巖，泥盆系上統灰巖、炭質灰巖、泥質灰巖。

2.2 勘察基本概況

該橋定測階段共完成7個鉆孔原6～9號墩，未明顯揭露巖溶，初步判斷為巖溶弱發育區。補定測階段該區域共完成29個鉆孔，共計1347.66 m，經過進一步的詳細勘察，該區域巖溶強烈發育，地層情況極其復雜。原設計7號墩線溶率為11%～83%，遇洞率為75%，溶洞洞徑為0.4～38.69 m，洞頂高程為40.58～30.58 m，洞底高程為38.98～57.59 m，鉆探揭示的溶洞多為無充填及半充填狀態。

進一步分析發現，該7號墩臺處巖溶極其發育，嚴重影響原設計方案的可行性。為了進一步查明該墩臺處巖溶的空間分布，經研討，決定開展地震波CT物探工作，對該區域地層結構及巖溶發育情況進行綜合研究。

2.3 地震波CT技術的應用情況

采用StrataView R24型淺層地震儀1臺、XW5512A型電火花震源1臺、CH3型高靈敏度12道聲波探頭2套，每個接收探頭均采用20倍集成運算放大器實現阻抗匹配、抑制道間串擾。

在使用地震波CT技術進行勘探時，首先應對墩臺的四角樁位進行鉆孔勘探，并做好傳感器和信號線的選擇、埋設、保護及鉆孔封閉等工作節。然后進行地震波CT檢測，在發射孔按1.0 m間距設置激發點，在接收孔按1.0 m間距設置接收點，收點進行接收，共計完成了兩條地震波CT剖面，見圖2。

該工程橋梁墩臺形狀為長方形，尺寸為16 m×11 m，樁間距為4.0 m。為準確地查明墩臺下方的溶洞發育情況，需要一個合理、經濟的地震波CT布置方案。在該橋7號墩共布置10根樁基，孔深為70 m，逐樁鉆探；然后結合采用地震波CT技術的綜合勘探方法，共計完成3條地震波CT剖面，減少鉆孔布置至4個，鉆孔、樁位及CT透視平面布置示意見圖2。

圖2 工程7號墩勘探孔及地震波CT孔位布置

后期結合鉆探成果及管波探測成果對最終的跨孔地震波CT探測成果進行解譯，管波探測成果及地質柱狀圖見圖3。

圖3 鉆孔柱狀圖及管波解譯成果

由圖3可知，該物探技術可以很好地反映該區域巖溶的發育情況。規模在1 m以上的巖溶裂隙發育帶或大型溶腔發育區，均可在解譯成果中得到清晰地體現。同時對地震波CT的解譯成果與在解譯范圍內鉆孔資料進行了進一步的復解工作，大部分波速異常區域均能在鉆孔資料中得到驗證。

地震波CT的解譯原則為：先對鉆探資料及波速影像圖進行充分的綜合分析、對比，確定各類巖土層的波速范圍及特征；然后根據綜合分析、對比確定的巖土層波速范圍和特征進行巖土層分類；再根據巖土層分類對波速影像進行地質解釋。

最終進行剖面的繪制工作，可以將跨鉆孔測試的地震波CT波速的最終成像圖結合鉆探成果進行綜合判釋，繪制出指導性的地層剖面，為勘察區巖溶發育程度的分析及后期巖溶處理、橋梁樁基設計提供重要參考，跨鉆孔地震波CT測試解譯地質剖面見圖4、圖5。

圖4 10-ZD-04814-5～10-ZD-04814-6地質剖面

圖5 10-ZD-04814-3～10-ZD-04814-4地質剖面

2.4 地震波CT技術運用情況結果分析

由圖4、圖5可知，通過結合鉆探及地震波CT探測技術相關成果，較完整地反映了該墩臺處地層及巖溶發育情況。對跨孔地震波CT解譯成果與鉆孔管波物探及鉆探成果進行綜合分析，最終探測的巖溶結果符合率達到75%以上。研究表明，通過地震波CT技術，基本探明了溶洞在該墩臺水平和垂直方向的發育情況，減少了重復的財力和物力消耗，節省了鉆探費用。研究結果表明，該墩址區存在巖溶古溶槽，開工前及時進行了孔跨優化調整，進而避開古溶槽。設計方案調整的合理性在后期施工中得到了進一步驗證，最終確保該工程的順利進行。

3 結論

(1)通過總結研究地震波CT技術在相關領域的應用情況，認為地震波CT技術在理論研究方面已經較為成熟，可以較好反映所探測體的波速反應特征。

(2)將地震波CT技術嘗試應用于滬昆高速鐵路橋梁工程的樁基勘察中，很好地揭示了工程場址區的巖溶發育程度及溶腔、溶孔等的賦存情況，解譯的精度可達到1 m左右。

(3)結合本工程7號墩臺的地震波CT和鉆探勘察成果，綜合分析研判該墩臺處存在較大的古巖溶槽。經過慎重的研判，設計方案進行了針對性地孔跨調整，最終成功避開了該處重大不良地質體。

(4)被探測巖土體邊界條件較為復雜，這就導致了其解譯結果的多解性。后期需要結合鉆探成果進行二次或多次復解，才能使物探成果更接近實際情況。同時需及時建立不同巖土體類型條件下的解譯標準，以進一步提高解譯的精度和效率。