精細物探方法在巖溶區公路橋基選址中的應用

摘" 要：該文以精細物探方法——地震波CT法在巖溶區公路橋基選址中的應用為研究主題，首先對巖溶地區的特殊地質環境進行分析，闡述巖溶地區地質條件的復雜性和不確定性。然后詳細介紹跨孔地震波CT法在巖溶區公路橋基選址中的具體應用。通過實際工程案例，分析跨孔地震波CT法在巖溶區公路橋基選址中的優勢和效果，如提高預測準確性、降低施工風險等。最后，對巖溶區公路橋基選址中的精細物探方法的應用前景進行展望，提出進一步研究的方向和改進的建議。

關鍵詞：公路工程；精細勘探；跨孔地震波CT法；隱伏巖溶；橋基

中圖分類號：U443.16" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）36-0149-04

Abstract： This paper takes the application of fine geophysical exploration method-seismic wave CT method in site selection of highway bridge foundations in karst areas as the research theme. First， the special geological environment of karst areas is analyzed and the complexity and uncertainty of geological conditions in karst areas are expounded. Then the specific application of cross-hole seismic wave CT method in site selection of highway bridge foundations in karst areas is introduced in detail. Through practical engineering cases， the advantages and effects of cross-hole seismic wave CT method in site selection of highway bridge foundations in karst areas are analyzed， such as improving prediction accuracy and reducing construction risks. Finally， the application prospects of fine geophysical prospecting methods in site selection of highway bridge foundations in karst areas are prospected， and further research directions and improvement suggestions are put forward.

Keywords： highway engineering; fine exploration; cross-hole seismic wave CT method; concealed karst; bridge foundation

巖溶地區地質條件復雜，地下溶洞、暗河等發育給公路工程帶來諸多問題，如路基不穩、隧道涌水等。因此，巖溶勘察成為公路工程的重要環節。傳統的勘察方法如鉆探、硐探等存在一定的局限性，難以全面、準確地揭示巖溶分布特征。在巖溶區進行公路橋基選址時，由于地質條件的復雜性和不確定性，需要采用精細的物探方法獲取準確的地質信息?？缈椎卣鸩–T法作為一種常用的精細探測物探技術，通過地震波的跨孔成像，能夠重建巖土介質的波速分布圖像，從而提供有關地質結構、巖溶發育情況等重要信息[1]。

本文介紹了跨孔地震波CT法的基本原理，然后通過實際工程案例分析，探討了該方法在巖溶勘察中的應用效果，最后對跨孔地震波CT法的優缺點進行了總結，并提出了改進方向。

1" 方法原理

1.1" 跨孔地震波CT原理

跨孔地震波CT法，即跨孔地震波層析成像技術，是一種基于地震波傳播原理的地球物理勘探方法。該技術通過在2個或多個鉆孔之間發射和接收地震波，記錄地震波的傳播路徑和走時，然后利用這些數據重建地下介質的速度分布圖像[2]。

跨孔地震波CT法的原理主要包括以下幾個方面。

1.1.1" 地震波的傳播特性

地震波在地下介質中傳播時，會受到地下介質物理屬性（如彈性模量、密度、波速等）的影響。不同類型的地下介質具有不同的波速和傳播特性，因此，通過研究地震波的傳播特性，可以推斷地下介質的物理屬性。

1.1.2" 地震波的發射和接收

在跨孔地震波CT法中，地震波的發射和接收分別通過鉆孔進行。地震儀固定在鉆孔中，用于發射和接收地震波。發射的地震波通過地下介質傳播，到達另一個鉆孔并被接收。記錄下地震波的傳播路徑和走時。

1.1.3" 地震波走時的觀測與重建

地震波走時的觀測是跨孔地震波CT法的核心。通過對發射和接收地震波的走時數據進行測量和記錄，可以得到地下介質的波速分布。利用走時數據，結合地下介質的物理屬性，可以重建地下介質的波速圖像[3]。

1.1.4" 波速與地下介質的物理屬性關系

地震波的波速與地下介質的物理屬性密切相關[4]。波速與介質的彈性模量、密度等因素有關。通過分析波速圖像，可以推斷地下介質的物理屬性分布，從而為公路工程巖溶勘察提供有力依據（圖1）。

1.2" 跨孔地震波CT法走時反演原理

主要采用初至波層析成像技術，通過采集地震波初至信息，經過一系列反演計算得到地質體的內部結構以及各層介質中的大致速度。

初至波走時層析成像的關鍵是求解層析方程組，在鉆孔中設置一系列激發點，另一鉆孔安置檢波器，利用接收到的初至波旅行時間，通過SIRT算法對該方程組進行求解，得到該剖面的慢度（速度的倒數）函數[5]。

對探測區域進行離散化，設其從發射到接收射線的旅行時間為Ti，其某炮的旅行初至時間可以寫成以下積分形式，如公式（1）所示

式中：S（X，Y）是點（X，Y）處的慢度；ds是沿直線路徑的微分長度。

假設離散化的單元個數為N，則每個單元慢度分別可以記為S1、S2、...Sn，射線在每單元的旅行路徑假設為直線，這樣，第i個射線的旅行時就可以表示為

Ti=aijS，（2）

式中：aij表示第i條射線穿過第j個網格的長度，圖中表示為線段FD。當有大量射線穿過該區域時，根據公式（2）就可以得到關于未知量Sj的M個方程Ti，寫成矩陣形式的如公式（3）所示。

可記為AS=T，其中A=（aij）M×N稱為距離矩陣，T=（Ti）M×1為旅行時向量，S=（Si）M×1為慢度列向量。通過求解公式（3）方程組就可以得到離散慢度分布，從而實現鉆孔間的速度分布。

2" 工程應用

目前，我國公路交通建設進程愈來愈快，其中公路橋梁建設在諸多地方全面展開。巖溶地區地質復雜，橋梁樁基承載力不穩定，會影響工程安全。在施工前采用合適的巖溶探測技術準確探測巖溶發育情況，是順利完成橋梁施工的關鍵之一。

2.1" 地質概況

橋址區地貌類型為侵蝕、剝蝕丘陵地貌，以農田、樹林為主，擬建橋梁跨越箭穿河，地勢稍有起伏，高差較小，地面標高77.24～81.95 m。

根據鉆孔資料顯示：橋址區覆蓋層主要為第四系人工填土、粉質黏土，下伏基巖以灰巖為主，巖溶較為發育。地下溶洞內部以及巖溶裂隙中固態填充物一般為黏土和少量巖屑，且大部分溶洞內部處于富水狀態。通過鉆孔縱波測試技術得到：上部黏土夾碎石土的地震縱波速度一般低于2 500 m/s；下部未受風化和溶蝕作用的完整灰巖地震縱波速度普遍高于4 500 m/s；巖溶裂隙發育和較破碎灰巖的地震縱波速度在3 500～4 500 m/s；極破碎巖體或以粉質黏土為主的碎石土充填溶洞的地震縱波速度在2 500～3 500 m/s。由此可以推測出，底部完整灰巖，上部黏土夾碎石土層與巖溶異常體之間存在著明顯的波速差異。

2.2" 跨孔地震波CT法的技術應用

2.2.1" 數據采集與處理

地震波CT法測試采用兩邊觀測系統、定點扇形掃描方式；采用電火花震源在一孔激發地震波、另一孔利用12或24道串珠狀檢波器接收地震波，串珠狀檢波器及電火花發射源均以水與孔壁巖體耦合；檢波器點距和炮點間距均1 m，每5 m校核激發點深度；測試自下而上進行，測試時先固定檢波器串，在激發孔中逐點激發并觀測接收地震波，激發點與檢波器的最大仰、俯角約45°；當激發點與檢波器的最大仰、俯角達到設計值并完成觀測后，將檢波器串提升11 m或23 m并固定，移動激發點在設計孔深范圍內重新開始逐點激發觀測；測試時間采樣率0.04 ms，采樣長度1 024 m，記錄長度40.96 ms；全通濾波；采用的最大發射電壓視現場測試實際情況而定，一般不小于4 000 V。

該橋址區一共完成跨孔地震波CT法7對。在此基礎上，經初至波拾取、反演成圖等處理工作，與鉆孔資料相結合分析得到速度剖面圖，查明基巖中巖溶發育情況。鉆孔3011—3012與鉆孔3015—3016初至波拾取結果如圖2、3所示。

2.2.2" 成果綜述

鉆孔3011-3012跨孔地震波CT反演波速與鉆孔地質解釋聯合剖面如圖4所示。

鉆孔TZK3011與TZK3012孔間地震波CT法反演剖面走向為NE6°。鉆孔頂角分別為1.2°和1.1°，孔間距為25.07 m。

測試范圍內，高程71.8～72.5 m以上，地震縱波速度小于2 500 m/s，推測為素填土、卵石土等覆蓋層的反映。覆蓋層以下，地震縱波速度小于3 500 m/s，推測為強溶蝕發育帶；3 500～4 500 m/s推測為弱溶蝕發育帶。其中，地震縱波速度2 500～3 500 m/s，推測為破碎灰巖或全充填溶洞的反映，結合地質資料分析，探測區域內，無明顯溶洞發育跡象，推測為破碎灰巖的可能性較大，打樁過程中，需提前做好措施，以防發生塌孔；地震波速度3 500～4 500 m/s，推測為溶蝕裂隙發育或破碎～較破碎灰巖的反映，裂隙充填泥質，探測區域內，主要發育在高程59.94 m以上，橫向延展范圍較大。

地震波縱波速度4 500～6 000 m/s，推測為較完整～完整灰巖的反映。

鉆孔3015-3016跨孔地震波CT反演波速與鉆孔地質解釋聯合剖面如圖5所示。

鉆孔TZK3015與TZK3016孔間地震波透射法反演剖面走向為NE6°。鉆孔頂角分別為0.8°和0.7°，孔間距為25.27 m。

基巖分界面位于左側高程71.31 m傾至右側高程70.29 m，右側覆蓋層包含全分化泥質砂巖，地震縱波速度小于2 500 m/s，基巖分界面起伏情況與鉆孔地質剖面基本吻合覆蓋層以下，地震縱波速度小于3 500 m/s，推測為強溶蝕發育帶；3 500～4 500 m/s推測為弱溶蝕發育帶。其中地震縱波速度2 500～3 500 m/s，推測為破碎灰巖或全充填溶洞的反映，主要發育在左側高程68.31～70.31 m和右側高程65.09～68.69 m，橫向發育寬度2～5 m；地震波速度3 500～4 500 m/s，推測為溶蝕裂隙發育或破碎～較破碎灰巖的反映，裂隙充填泥質，主要發育在高程60.49 m以上，橫向延展范圍較大，目前處于安全狀態。但應當考慮到其發育潛能，若與周邊巖溶發育區域相通，則會引發塌陷事故。

地震波縱波速度4 500～6 000 m/s，推測為較完整～完整灰巖的反映。

將跨孔地震波CT法應用于公路工程橋梁樁基巖溶發育探測中，得到地震波反演波速與鉆孔地質解釋聯合剖面圖，能夠有效地解決了地下巖溶的探測問題，對橋址區域可能產生的不良巖溶病害進行了較為精準的預測。

3" 結論

本文針對跨孔地震波CT法在公路工程巖溶勘察中的應用進行了深入研究，通過分析跨孔地震波CT法的原理及其優勢，結合實際工程案例，探討了該方法在巖溶勘察中的應用效果和價值。

研究表明，跨孔地震波CT法具有以下特點和優勢：

1）較高的探測精度：跨孔地震波CT法通過地震波走時反演，能夠精確地重建地層介質的波速分布圖像，從而揭示地層結構特征。

2）自動成像：跨孔地震波CT法能夠實現自動成像，提高數據處理效率。

3）能量可擴展：電火花震源的能量可從1 WJ調整至80 WJ，滿足不同跨孔寬度探測需求。

本文通過實際案例分析，證明了跨孔地震波CT法在公路工程巖溶勘察中的高效性和準確性。

然而，跨孔地震波CT法在實際應用中仍存在一定的局限性，如探測距離較短、受介質特性影響較大等。因此，在未來的研究中，需要進一步完善跨孔地震波CT技術，提高探測距離和可靠性，使其在公路工程巖溶勘察中發揮更大的作用。

總之，跨孔地震波CT法作為一種高分辨率層析成像技術，在公路工程巖溶勘察中具有廣泛的應用前景。通過不斷優化和改進，該方法將為我國公路工程巖溶勘察提供更加高效、準確的技術支持。

參考文獻：

[1] 張連偉.井間地震CT技術及其在鐵路巖溶勘探中的應用[D].天津：天津大學，2013.

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