钻探辅以弹性波CT法联合勘察在岩溶勘察中的应用

（广东有色工程勘察设计院，广东 广州 510080）

在我国尤其是南方地区岩溶广泛发育，工程建设中岩溶地区的稳定性为其中的关键问题。目前通常使用钻探方法来查明地下的岩溶情况，但往往受施工场地、工程实地钻孔数量等条件的限制，同时单靠钻探亦不能全面揭示地质体的横向发育情况。跨孔弹性波CT法作为一种新的物探勘查方法悄然兴起[1]。与常规钻探、物探方法相比，钻探辅以弹性波CT法联合勘察能获得更多的信息，能更具体、详细、直观查明岩溶大小、充填情况等，为工程建设提供重要的依据[2]。

1 跨孔弹性波CT法工作原理

跨孔弹性波CT法观测系统，以一个钻孔为发射孔，另一个钻孔为接收孔。并保证每一个激发点，在接收孔中进行全孔接收。

根据初始速度模型和初至时间，采用N×M个单元节点间隔，采用联合迭代法(SIRT方法)进行计算，反演跨孔剖面的波速影像。弹性波CT法主要采用震动波的速度分布v(x,y)或慢度S(x,y)=1/v(x,y)来进行[3]。假设第i个震动波的传播路径为li，其传播时间为ti，则：

式中ds 是弧长微元。把反演区域离散化成N个单元数，对应的单元慢度为Sn。则第i个射线的旅行时为：

式中aij表示长度。M 条射线组合成一线性方程组：

即AS=T

式中A为距离矩阵，T为时间向量，S为慢度列向量。通过求解方程组可得井间区域的速度场反演成像。

值得注意的是，受走时观测误差的影响，跨孔弹性波CT法根据波速差异解释岩溶的存在情况及边界存在一定误差。同时，跨孔弹性波CT法将实际上的三维空间按二维空间处理，会导致一定误差，这种误差会引至基岩中零星分布体积较小的溶洞未被解释[4]。

2 工程实例

2.1 钻探与跨孔弹性波CT法探测

佛山某地铁某区段位于泥灰岩、钙质砂岩地区，后期根据设计需求进行了岩溶专项勘察工作[5]。本专项勘察主要采用钻探辅以弹性波CT法联合勘察手段，共布置10个钻孔，钻孔间距约15m～20m，相邻钻孔之间区域采用弹性波CT法进行探测。根据钻探揭露，该区段岩溶剧烈发育，以半充填或全充填状态为主，少量无充填，串珠状溶洞发育，洞顶面埋深23.40m～36.20m(标高-33.10m～-20.85m)，揭露洞高0.20m～6.60m，平均洞高2.21m。

结合场地地质资料，将所有跨孔弹性波CT资料进行分析、解释，可将本场地内地质情况分为四个区，见表1。

表1 弹性波CT法波速分区表

根据该划分原则对跨孔弹性波CT法反演波速影像进行解 释 的 成 果 见 图1(以ZK-B06、ZK-B09、ZK-B10为 例)。由图可见，岩溶发育区与周围完整基岩存在明显的波速差异，在反演的波速影像图中非常容易辨别。一般在红色的基岩中出现蓝色的区域即解释为岩溶发育区；溶蚀裂隙发育区及软弱夹层与周围的完整基岩之间存在一定的波速差异，一般在红色的基岩中出现灰红色的区域即解释为溶蚀裂隙发育区及软弱夹层。根据反演波速影像成果图，10、09号孔之间揭露的溶洞有R17～R21共5个，09、06钻孔间揭露的溶洞有R16、R58、R59，06、10钻孔间揭露的溶洞有R53～R56共4个，分析结果与地质钻探验证资料基本吻合。

图1 跨孔弹性波CT反演波速影像及综合地质解释剖面图

2.2 技术要点

采用弹性波CT法对岩溶地区岩土层、地质目的体进行探测，不可避免会受到现场外部环境的干扰。现场主要干扰因素为钻探及施工过程中的机械振动。野外测试时采用下述措施，基本有效地消除了干扰：

（1）开启仪器的噪声监测功能，选择振动噪声较小的时段激发接收。

（2）现场监控的每一个振动波形记录，若达不到优良级别则立马重测，直至记录质量优良。部分测试可在夜间进行。

（3）测试开始前，根据每对钻孔的地质情况，选择基岩比较完整的钻孔作为发射钻孔，以利于激发高频弹性波，提高探测精度。

（4）野外测试时，详细填写野外作业班报，以供质量监控和数据处理。

（5）钻孔施工至预定深度后，立即在孔内放置φ75mm的PVC管护壁，防止孔壁坍塌。

（6）本次采用的跨孔弹性波CT法，钻孔最大距离约20m，解释分辨率为1m，跨孔CT的精度和孔距以及采样点距有关，适当缩短孔距，减小每次采样的点距可以提高精度，但是这样会大大增加施工的工作量。

3 结语

工程实践表明，钻孔钻探辅以弹性波CT 法探测，更能直观地反映岩溶地区，钻孔及钻孔之间岩溶的发育情况，包括岩溶位置、大小、充填情况及岩溶平面及剖面分布规律。通过钻探资料的验证，跨孔弹性波CT法反演解释成果与钻探资料有较好的吻合性。随着房屋建筑、地铁建设的飞速发展，在钻探场地受限、岩溶发育地区，该方法有较好的应用前景。

[1]武威,顾宝和等.岩土工程勘察规范 [S].北京: 中国建筑工业出版社,2009.

[2]李学军,赵竹占等.城市工程地球物理探测规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[3]常士骠,张苏民等.工程地质手册[M], 北京: 中国建筑工业出版社,2006.

[4]王运生.弹性波CT关键技术与应用实例[J].工程勘察,2005,(3):66-68.

[5]朱文仲.弹性波CT技术几个重要问题的研究[J]. 工程地球物理学报,2008,5(2):173-180.