跨孔弹性波CT在地质工程勘察中的应用

韦俊丁

（广东省有色金属地质局九四〇队，广东 清远 511520）

跨孔弹性波CT可分为地震跨孔弹性波CT和超声波CT，是在不损坏待测物体的前提下，利用弹性波射线穿透被测物体，利用信号接收系统在物体的另一端接收到声波射线。通常情况下跨孔弹性波CT多为一发多收声系统，也就是在物体某一点单点发射弹性波射线，在物体的另一端作扇形排列接收，然后沿着物体另一端从上到下逐点同步移动进行扫描观测[1]。由于跨孔弹性波CT具有效率高、无损害、精度高、灵敏度高等优点，已经被广泛应用于测量领域中，比如医学、生物、航天等，在国外跨孔弹性波CT技术已经被应用到地质勘察领域中，并取得了一定的应用成果，但是在国内还没有该方面的应用经验。目前地质工程勘察工作中仍采用传统的人工勘察方法，传统勘察方法在实际应用中主要依靠人员的勘察经验和勘察技术，很难获取到精准的岩体内部信息，并且尽可以实现面上的二维探测，而无法实现面上的三维探测，随着地质工程勘察难度和要求的不断提高，传统勘察方法无论是在精度方面还是效率方面都无法满足地质工程勘察需求，为此提出跨孔弹性波CT在地质工程勘察中的应用研究，为跨孔弹性波CT在地质工程勘察中的应用提供理论依据。

1 基于跨孔弹性波CT的地质工程勘察方法

地质工程勘察工作的主要内容是通过勘察了解深层地质岩体的分布情况和发育情况，进而推断出深层岩体的空间位置以及裂隙发育情况等，本文利用跨孔弹性波CT技术作为地质工程主要测量手段，对地质工程进行三维空间探测，获取到地质工程岩体信息，并通过对岩体信息进行分析得到地质工程勘察结果，以下将对基于跨孔弹性波CT的地质工程勘察方法进行详细描述。

1.1 基于跨孔弹性波CT的地质三维空间探测

通常情况下地质工程场地内地层一般为粉质土和碎石土为主，这两种土质的纵波波束Vp在1200m/s～1500m/s内，并且工程场地的基岩通常为页岩，中风化页岩的纵波波束Vp在2400m/s～3500m/s，微风化页岩的纵波波束Vp在3800m/s～4500m/s，未风化页岩的纵波波束Vp在4800m/s～5500m/s。此外场地深部的岩体发育区纵波波束Vp在1200m/s～1500m/s，各个地质之间有明显的波束差异，因此根据地质工程勘察需求，此次选用跨孔弹性波CT技术对地质进行三维空间探测，获取到深层岩体数据信息，用于后续地质三维空间探测数据分析，其探测过程如下[2]。

根据实际情况以及探测需求，本文采用型号为LOKPS2S1型号跨孔弹性波CT扫描仪作为探测设备。首先利用HIS62地质岩芯钻机利用回转方式对地表进行钻孔，为了更加精准的获取到地质三维空间数据，钻孔之间的间距要比较小，通常情况下根据实际情况而定，在5.5m～7.5m之间，钻孔的孔径大小控制在100mm～130mm之间，钻孔的深度在35m～55m范围内，为了避免对地质造成损坏，在钻孔过程中需要进行注水，利用水降低钻孔产生的延误和对地质的摩擦。孔成之后将直径为75mm的聚氯乙烯套管护壁放入孔内，以供跨孔弹性波CT扫描仪工作使用。

钻孔完成之后，选取两个比较近的钻孔作为弹性波CT发射钻孔，跨孔弹性波CT扫描仪通过激发高频弹性波，向探测地质进行扫描；然后选择另一侧的钻孔作为弹性波CT接收钻孔，跨孔弹性波CT扫描仪内置传感装置，利用传感装置接收到地质反射回来的弹性波信号。在探测过程中需要开启跨孔弹性波CT扫描仪的噪声监测功能，选择噪声比较小时间范围内作为信号接收时间段，以此跨孔弹性波CT扫描仪保证三维空间扫描探测数据的精度。利用计算机读取到传感装置接收到的弹性波CT信号，并对其进行统一保存，用于地质三维空间探测数据分析。

1.2 地质三维空间探测数据分析

跨孔弹性波CT扫描仪采集到的数据均是弹性波相关数据，若要通过对这些数据了解到深层岩体的空间位置以及裂隙发育情况，需要对三维空间探测数据进行处理和分析。首先将勘察区域离散成若干个规格的网格单元，将地质三维空间探测数据导入到网格单元中，形成网格化模型，用公式表示如下：

公式（1）中，ti为地质工程离散区域网格化模型，即第i条弹性波射线的走时；dij为第i条弹性波射线穿过第j个网格的长度；n为弹性波射线数量；m为地质工程离散区域网格化模型的网格数量；v为弹性波的速度；(x,y)为弹性波射线的路径。利用联合迭代方法对上述公式进行求解，可以得到每一个小方格内的地质弹性波慢度值，并分别取其倒数即可得到钻孔间岩体分布情况，利用上述公式绘制出各个离散后地质工程岩体三维空间模型图，将所有离散后的区域岩体三维空间模型图融合到一起，就形成了地质工程勘察岩体三维空间分布图，通过该图可以了解到地质工程岩体发育情况以及分布情况，确定岩体的具体发育位置和范围，以此完成基于跨孔弹性波CT的地质工程勘察[3]。

2 实验论证分析

实验以某地质工程为实验对象，该地质工程勘察面积为6642.5m²，地质土层为粉质黏土、碎石土等，存在波速差异，实验利用此次设计方法与传统方法对该地质工程进行勘察，得到深层岩体分布情况。

根据该地质工程实际情况，在勘察区域内布设10条测线，每个测线布置5个钻孔，共计布置50个钻孔，5对跨孔弹性波CT剖面。实验中工程地质钻孔孔径为100mm，钻孔孔深为45m。每个钻孔利用矿孔弹性波CT三维空间探测扫描三次，取三次扫描中噪声波动最小的一组数据作为探测数据，共获取数据1235.52MB，按照上文对地质数据进行分析，共获取到5个岩体剖面图。实验用电子表格记录两种方法勘察数据，将其与实际值进行对比，并利用GSS软件计算出两种勘察方法勘察结果的残差值，残差值是用于评价精度的一个有效指标，其取值范围在0-1之间，残差值越接近1则说明勘察结果精度越低，与实际值之间的误差越大，相符程度越小；残差值越接近0则说明勘察结果精度越高，与实际值之间的误差越小，相符程度越高。实验将残差值作为实验结果，对两种地质工程勘察方法进行对比分析，实验结果如下图所示。

图1 两种方法勘察残差值对比图

从上图可以明显看出，基于跨孔弹性波CT的地质工程勘察方法残差值最低可以达到0.42δ，评价残差值仅为0.63δ。而传统方法最大残差值为0.96δ，平均残差值为0.89δ，远远高于设计方法，因此实验证明了基于跨孔弹性波CT的地质工程勘察方法勘察精度更高，相比于传统方法更适用于地质工程勘察。

3 结语

本文对跨孔弹性波CT在地质工程勘察中的应用进行了研究，利用跨孔弹性波CT技术扫描获取到地质工程相关信息，并且对其进行处理和分析，形成一个新的地质工程勘察方法，跨孔弹性波CT技术的应用有效克服了传统勘察方法对准确获取深度岩体信息的困难，提高了地质工程勘察工作效率和精度，有助于实现地质工程的三维空间探测，对跨孔弹性波CT在地质工程勘察工作中的应用具有一定的推广作用。