跨孔地震CT在类岩溶地层中的应用效果分析

柏建利，董晓宏，佘栋成

(四川省蜀通岩土工程公司， 四川 成都 610000)

岩溶地层是我国普遍存在的一种地层，岩性一般以灰岩为主，溶洞等不良地质条件发育，地质条件较复杂，对构筑物地基造成极大的不利影响。在某些钙质岩地区，岩石中的钙质碎屑胶结物在地下水的长期作用下发生溶蚀，形成类似溶洞的空洞(槽)，这与碳酸岩溶蚀后的岩溶现象相似，被称为类岩溶现象[1]。张强[2]对钙质砾岩的发育特征及渗透稳定性方面做了较为深入研究，贾龙等[3]对我国红层岩溶的特征进行了一定的研究，王锦国等[4-6]对钙质砾岩溶蚀规律及机理进行过了研究，孙瑜等[7]分析了钙质砾岩对水库的渗漏影响。目前工程中常见类岩溶地层的主要溶蚀类型有钙质砂岩溶蚀、钙质砾岩溶蚀，由于钙质岩中Ca2+分布受成岩环境及外界环境影响，分布不均匀，形成的溶蚀程度各不相同，且规律性较差，局部溶洞中存在溶蚀残留物，有时物探手段难以清晰分辨溶洞轮廓，且钻探手段仅能以点带面，使类岩溶地层溶洞(槽)的探测具有模糊性，但其对工程的危害程度较岩溶地层并不低，应在工程中引起足够的重视。

类岩溶地区地质条件复杂，构造形态多变，缺乏规律性，对勘察工作带来较大难度。传统的勘察手段一般以钻探为基础，结合高密度电法、瞬变电磁等常规物探手段探测，但传统钻探手段揭露的范围十分有限，只能根据孔与孔之间推测连线，加之类岩溶地区溶蚀的不规律性，推测出的溶洞(槽)和地质界线与实际情况相差甚远；且传统物探手段仅在地表进行探测，物探精度较差，对溶洞的探测效果难以满足工程需要，小型溶洞(槽)更是难以探测，导致探测结果的指导性较差。

近年来我国对岩溶的探测采用了多种手段，胡让全等[8]和李文文等[9]在实际工程中采用了高密度电法、地震波CT、电磁波CT和孔内雷达等综合物探手段进行探测，均取得了良好的效果。周醒驭等[10]将单片机辅助的探地雷达采样方法运用到了岩溶探测中，发现该方法可更加方便准确的通过探地雷达定位地下岩溶位置。跨孔地震CT技术是一种近年来逐渐兴起的一种高新探测技术，在灰岩岩溶地层溶洞探测中得到了广泛的应用，取得了良好的效果[11-17]。韦斯等[18]将地震CT技术运用到了坝址河床隐伏断层的探测，效果良好。毛承英等[19]从三维角度初步探求了基于GOCAD的地震CT技术在岩溶探测中的运用。但目前跨孔地震CT在类岩溶地层中的应用相对较少，尚无系统的研究成果，由于类岩溶地层的特殊性，其探测效果还需进一步对比验证。本文结合我国西南某拦河闸右岸交通桥基础的类岩溶地层勘察成果，结合高精度钻孔对比分析跨孔地震CT在钙质砾岩中探测效果，并探求其应用价值。

1 工程概况及工程地质条件

该交通桥工程位于岷江干流的主河道中，共包括7个桥墩，分别为12、14、16、18、20、21、22号桥墩，桥墩轴线长度20 m，12、14、16、18、20号桥墩间距为29.0 m，20、21、22号桥墩间距为17.5 m。根据设计单位提供的基础方案，桥墩初步拟采用桩基础，重点需要查明桩基岩溶发育情况，为桩基布置位置提供依据。

根据钻探揭露情况，右岸桥位区地质条件十分复杂。基岩主要分布在12～16号桥墩，岩性为砾岩，钙质和硅质胶结，基岩面起伏剧烈，局部呈隐伏笋芽状或蜂窝状，溶槽(洞)发育，槽(洞)壁凹凸起伏，边界极不规则，槽壁处溶蚀现象明显，溶蚀空腔发育，基岩破碎—较破碎。溶槽内物质以含卵石粉质黏土、含砾粉质黏土为主，夹含泥细砂、含砾细砂等透镜体，溶蚀凹腔及溶洞内以软塑或流塑状粉质黏土(钻杆掉落或自行缓降)、含泥砾石为主。综合钻探成果分析，该地区溶蚀结构一般处于溶槽侧壁附近，大部分相互连通，呈半封闭状态。

2 跨孔地震CT基本原理及技术方法

钻孔地震波层析成像(CT)是在两孔间采用一发多收的扇形观测系统(一孔激发，另一孔多道接收)，组成密集交叉的射线网络，然后根据射线的疏密程度及成像精度划分规则的成像单元，运用弯曲射线追踪理论，采用最小走时反演算法计算出各成像单元的地震纵波速度值，从而形成被测区域的波速图像(以等值线的形态来表示)，根据波速差异来划分岩体的质量，确定地质构造及软弱岩带的空间分布，钻孔地震波CT观测方式示意图如图1所示。

图1钻孔地震波CT观测方式示意图

该工程的探测野外工作方法采用一发多收扇形观测系统，一钻孔激发，另一钻孔接收。数据采集仪器为国产HX-DZ-02A型地震仪，钻孔成像检波器为国产压电式井中检波器串；钻孔间成像震源为电火花震源，激发电压一般为5 000 伏～6 000 伏、激震能源约为1.2万焦耳，钻孔检波器间距和炮点距均为1.0 m。

将获得的地震透射有效记录读取初至走时，并与相应的激发及接收点坐标形成数据文件。采用SeisCT地震透射层析成像数据处理系统，将各成像区域划分成1 m×1 m的成像单元，首先进行5次直线迭代，建立初始模型，再进行6次最小走时射线追踪，将其结果加权平滑形成地震波速图像。以级差500 m/s绘制地震纵波速度等值线，最终形成地震波层析成像波速图。

3 右岸桥基跨孔地震CT布置思路及方法

本次勘察主要在桥轴线钻探的基础上，利用桥墩两端钻孔进行地震CT测试，然后对钻探结果和地震CT成果进行对比分析，验证地震CT效果，为桥墩两侧及其他桥墩的地震CT成果分析提供参考，从而节省钻探工作量和工期。

12号、14号、16号桥墩轴线长度为20.4 m。其中12号桥墩共布置7个钻孔，间距为1.6 m～4.1 m，钻孔深度63.0 m～75.5 m；14号桥墩共布置6个钻孔，间距为2.4 m～4.1 m，钻孔深度61.3 m～75.5 m；其中16号桥墩共布置5个钻孔，间距均为4.1 m～6.5 m，钻孔深度61.0 m～75.9 m。根据钻探初步成果，基岩主要集中在12号、14号、16号桥墩。跨孔地震CT剖面线布置如图2所示。为防止测试期间在震源作用下垮孔，试验采用PE管置于孔内进行护壁。

图2跨孔地震CT剖面布置图

4 跨孔地震CT成果和钻探成果对比研究

地震CT根据地震波在不同的介质中传递的速度结合钻探成果来判断地质情况。一般来说，中风化基岩的波速高于强风化基岩，强风基岩高于覆盖层，覆盖层也根据成分不同波速有一定不同，根据相对关系可以圈出波速较低的非基岩区和波速较高的基岩区，结合钻探成果综合判断不良地质区。

图3为16号桥墩轴线跨孔地震CT成果剖面与不同精度钻探地质剖面的对比图。

图3 16号桥墩地震CT剖面与不同精度的钻探地质剖面对比图

从图3(a)中可知，钻探剖面仅布置16-1和16-7两个钻孔，两个钻孔揭露的信息十分有限，对于两孔之间的地质信息只能粗略推测，精度不能满足工程需要；而地震CT剖面图能较清楚反映剖面之间存在的高波速区和低波速区，尤其是下游的深槽和上游的低速异常区揭露较明显，推测为溶槽、溶洞，其揭露地质信息的完整性远高于只有两个钻孔的情况；在图3(b)中，钻探剖面在中间增加了16-4孔，在钻探精度提高后，可以明显看出地震CT所揭露的溶槽壁在16-4有所揭露，溶槽壁的整体轮廓也与CT图基本吻合，虽然细部结构探测存在不足，但进一步证明了CT成果图所反映信息的可靠性；在图3(c)中，钻孔进一步加密至5个钻孔后，可以看出，钻探剖面揭露的溶槽和覆盖层在地震CT图上均显示为低波速区，且基覆界线两侧波速有明显的差异，地震CT图上揭露的深溶槽的位置、上下游溶槽壁基岩的凹凸轮廓与钻探剖面总体吻合。从图3可知，16号桥墩区域至少需要3个钻孔探测才能初步确认溶槽的存在，但对其位置、形态尚无法确认；补充至5个钻孔才基本明确了溶槽的位置和局部槽壁边界形态，但对孔间地质情况尚需推测；而跨孔地震CT仅需要在两个端部打两个孔即可较为精确探明整个桥墩的地质情况，发现钻孔未揭露的地质异常，既能节约投资，又能加快施工进度。

图4为14号桥墩高精度钻孔剖面与地震CT剖面对比图。从图4中可知，14号墩位于溶槽边缘，地震CT图中显示桥墩下游在625.0 m～645.0 m、665 m以上为相对低速区，该区域在钻孔中均揭露了覆盖层或溶蚀凹槽，除了局部凹凸起伏形态和钻探揭露稍有差别外，溶槽壁基岩轮廓与钻孔揭露的情况基本吻合，说明地震CT方法在该工程中反映的地质情况在钻孔中基本得到了有效验证，效果良好。

图4 14号桥墩CT剖面与最终钻探地质剖面对比图

从图3(c)和图4的CT图上可以看出：首先，所有波速带均为连续分布，即不同的地层即使物理性质差异很大，波速带显示也呈连续过渡状态，在地质界线附近并未真实反映地层特征波速，仅可能表现为一种波速的趋势变化，这就导致靠近基岩部分的覆盖层表现为相对高波速区，或者说靠近覆盖层的基岩表现为相对较低波速，基覆界线存在一定容差性；如图3(c)中16号墩650 m高程以上的基岩部分由于范围较小，在CT图中表现为波速明显增高，虽未达到基岩的特征波速，但仍可以体现波速趋势的变化，需要在成果解译中结合实际情况判别。其次在16-1孔673.0 m～688.0 m段、14-6孔和14-7孔在625 m高程以下段揭露含泥砾石均靠近基岩，属于强风化基岩和含砾粉质黏土之间的过渡形态，在波速上表现与强风化基岩接近，尤其当砾石含砾量较高时，其波速表现与强风化基岩的差别并不明显。

存在的不足方面：首先，图3(c)在16-1孔655.0 m～670.0 m段、633.0 m～637.0 m段地震CT影像图上显示有低波速区，可以判断在此区域存在溶洞(槽)，但钻孔并未揭露，说明CT图中揭露的溶洞位置和实际稍有偏差，溶洞位于钻孔周边，即地震CT的精度在该区域存在一定不足。其次，图4中14号墩的14-3、14-4、14-5孔揭露的狭窄串珠状溶洞(槽)在CT图中并未显示，说明在周边岩石均较完整的情况下，虽然波速带分布均一性较差能说明一定问题，但局部出现的溶洞并不能有效的反映出来，CT成果在揭露该类溶蚀结构方面还存在不足，究其原因，主要是因为钙质砾岩中钙质溶蚀后部分溶洞内有残留母岩颗粒，溶洞(槽)周边的砾岩受钙质胶结的影响，岩体较破碎，边界及形状不规则，呈过渡相，且形状一般为不规则窄槽，而CT图的波速带逐级过渡显示特性使得砾岩内部的溶洞在两侧都是高波速的砾岩影响下难以表现出来。最后，在两图中钻孔揭露的溶槽壁凹凸起伏较频繁，但CT图中对该类细部结构的揭示效果还有所欠缺，说明在精细岩溶的揭露方面也存在一定不足。

综上，本区强风化砾岩的地震波速一般在3 000 m/s～4 500 m/s，中风化砾岩的地震波速一般在4 500 m/s～6 000 m/s，覆盖层一般地震波速在1 500 m/s～3 500 m/s。根据本工程实际应用，地震CT对类岩溶地层中的应用效果虽然存在一定不足，但基覆界线的整体轮廓、开放性深溶槽的揭露效果较好，相比传统钻孔探测具有省时、节约以及高效的优势，特别在宏观地质方面有较高的工程应用价值。

5 跨孔地震CT成果应用

根据地震CT在类岩溶地层中的应用效果，可以对本工程优化提供一定的指导意义。本工程如果采用全部钻探的方式对桥墩轴线和两侧进行探明，则需要布置大量钻孔，既不经济，工期也不允许。跨孔地震CT在勘察中可以作为重要手段加以应用。

首先，可以对桥墩轴线地质条件进行初判后优化勘探工作。跨孔地震CT方法可以在初期施工时采用少量的地震CT钻孔对桥墩轴线进行探测，初步判断地质情况，为轴线补充钻孔布置提供有效依据。如图5所示，12号桥墩在12-1和12-7的CT成果图初步显示，高程660 m以下基岩均一性较好，波速均在4 500 m/s以上，未发现明显不良地质体，可初步判断为基岩；高程660 m以上基岩完整性较差，分布有溶蚀凹槽及低波速的覆盖层。根据CT图所解析的地质剖面，可初步了解该墩轴线以基岩为主，完整性较好，具备作为端承桩的初步条件。在工期等条件允许的情况下，可根据该成果减少钻孔数量或深度，重点放在桥墩两侧地质条件。

图5 12号桥墩地震CT剖面及其解析地质剖面图

其次，跨孔地震CT方法可以修正地质剖面。如图6所示，16号桥墩主要靠5个钻孔揭露，但类岩溶地质条件复杂，规律性差，地震CT剖面可以对钻孔之间的基覆界线形态和钻孔之间未揭露的溶洞(槽)进行补充修正。如在16-1孔655.0 m～670.0 m段、633.0 m～637.0 m段地震CT影像图上显示有低波速区，可以判断在此区域存在溶洞(槽)或强风化带，但钻孔未揭露，可以判断该异常区存在于16-1和16-3之间；中深部溶槽边界形态也可以根据CT图进一步修正。二者结合可以使地质剖面更加接近实际情况。

图6 4号桥墩CT剖面与综合修正剖面对比图

最后，跨孔地震CT方法可以对桥墩两侧地质条件进行初步探查，为补充钻孔的必要性和位置提供依据。如图7所示，12-4—14-3之间均为基岩，仅局部发现少了相对低波速区，未发现较明显的大型溶蚀结构，即12-4右侧和14-3左侧均为较完整基岩，无明显不良地质条件，无需补充钻探；在14-3右侧有较清晰的基岩边界，其距离14号墩轴线约7 m～8 m，故该处桩基均处于基岩上，且留有足够的安全距离，无需补充钻探；16-4左侧在640 m高程以下才可能揭露完整基岩，以上均为覆盖层。通过桥墩两侧的地震CT成果，可以揭露桥墩两侧初步地质条件，并为进一步优化钻孔布置提供依据。

6 结 语

通过对桥墩的跨孔地震CT的应用效果对比研究，发现该方法能够较清晰的显示岩壁、基覆界线轮廓等，实际应用中具有较突出的优势。相对于传统钻探，跨孔地震CT对类岩溶地层在总体地质条件探测、优化勘探工作量、节省投资、加快工期等方面具有较高的应用价值。 由于类岩溶地层溶蚀结构复杂多变，在精细类岩溶探测还存在一定不足，在复杂的地质条件下，CT图具有多解性，故合理的数据解析至关重要，需要在以后的工作中进一步在技术和数据分解析方面进行完善和改进，为类岩溶地层中的地震CT效果和应用价值积累经验。

图7 12～16号桥墩地震波CT及综合修正剖面成果