地震波CT技术在高铁岩溶勘察中的应用

崔竹刚

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

引言

在岩溶发育地区进行高速铁路工程的勘察设计工作，需要直面的一大难题就是对岩溶发育程度及空间赋存形态的探查工作。岩溶发育不仅对基础的承载力产生巨大影响，同时会直接决定岩溶空腔的填充处理设计方案和工程投资。由于岩溶发育具有不规律性，传统的钻探勘察方法仅为单点之见，难以有效查明钻孔之间的整体岩溶空间分布状态。而跨孔的地震波CT物探技术则可以有效弥补钻探工作在岩溶勘察中存在的不足，为分析岩溶在勘察区域的整体发育情况提供重要参考。

已有许多学者开展相关研究，吴茂林等对地震波CT技术的发展历程进行梳理，认为CT技术在近几十年取得了长足发展[1]；段宝平等对井间地震技术的研究现状进行了详细分析[2-4]；张平松等对地震波CT技术在矿井物探工作中的应用进行总结，得出了该方法在矿井工程中应用的适用性[5]；许韬对地震波CT探测技术的精度影响因素进行分析，认为其主要受射线角度、密度、波长及反演方法等影响[6]；王猛等将地震波CT技术应用于明十三陵的文物检测工作中，并取得了良好的效果[7]；黄鑫磊采用井间井地联合CT成像技术对南京市某地区的路面塌陷进行了探测，成功获取了该区的塌陷特征[8]；扈本娜将弹性波CT技术应用在某水库大坝坝基的检测中[9]；吴平等将钻孔CT技术应用于某大坝的溢洪道底部溶洞的稳定性分析评价中，并结合数值模拟技术，成功完成了相关分析评价工作[10]；赵武阳依托南京某工程岩溶探测项目，采用跨孔地震波层析成像技术，经过后期反演成像，最终证明了该方法在岩溶探测工作中适用性[11]。

综上所述，地震波CT技术经过几十年的发展和研究，在理论技术上已逐渐成熟。该技术具有解译方法清晰、成像精度高、外界干扰因素少等优点，并具有广泛的适用性。

1 地震波CT技术工作基本原理

跨孔地震波CT层析成像技术通过测试钻孔间岩体波速并反演其速度分布，经计算机重建钻孔间的内部结构，可以可靠地反映出孔间的地质情况[13]。在现场操作过程中，主要通过某个钻孔来激发地震波，利用其余钻孔的检波器来接收地震直达波，最后通过叠加成像原理来获取被探测体的物理性质和空间分布特征[14-15]。

弹性波在不同传播介质中传播时，会发生透射、反射或者吸收现象，这会导致相同震源的地震波穿过不同介质后的波速图像各不相同。作为工程建造基础的岩土体，由于成因和后续漫长地质历史时期的改造变化，其特性、节理裂隙的发育程度及岩溶发育区域的溶洞赋存状态和填充程度等均存在较大差异。探测用的弹性波在致密完整的岩体中传播时，波的吸收和衰减现象不明显，且波的传播速度较快；而在节理裂隙发育、岩溶空洞发育且结构疏松、风化严重的岩土体中传播时，会造成较大的吸收和衰减现象，波速值会明显降低。

跨孔的地震波CT探测技术正是基于上述原理，当地震波通过致密的灰岩区域时，波速变化不明显；而当通过岩溶发育且填充不良的区域时，波速衰减现象非常严重。因此，通过采用适宜的算法进行重建，可以得到跨孔区域之间岩土体的波速CT图像。根据图像和不同物性对波速的反映规律，可以间接判断出跨孔之间岩土体的特征和岩溶的发育规模，探测系统布设示意见图1。

图1 地震波CT技术探测系统布设示意

2 工程实例

2.1 工程基本概况

沪昆高速铁路工程是我国规划的“四纵四横”快速客运网骨架之一，本次开展跨孔地震波CT物探工作的是沪昆高铁韶河特大桥，桥中心里程为DK61+339.36，全长1 330.36 m，桥址区地处丘间洼地及剥蚀丘陵区，地形起伏较大。勘察深度范围内所揭露的地层自上而下为第四系全新统堆积层、第四系全新统冲洪积层及第四系上更新统坡洪积层石炭系上中统灰岩，泥盆系上统灰岩、炭质灰岩、泥质灰岩。

2.2 勘察基本概况

该桥定测阶段共完成7个钻孔原6～9号墩，未明显揭露岩溶，初步判断为岩溶弱发育区。补定测阶段该区域共完成29个钻孔，共计1347.66 m，经过进一步的详细勘察，该区域岩溶强烈发育，地层情况极其复杂。原设计7号墩线溶率为11%～83%，遇洞率为75%，溶洞洞径为0.4～38.69 m，洞顶高程为40.58～30.58 m，洞底高程为38.98～57.59 m，钻探揭示的溶洞多为无充填及半充填状态。

进一步分析发现，该7号墩台处岩溶极其发育，严重影响原设计方案的可行性。为了进一步查明该墩台处岩溶的空间分布，经研讨，决定开展地震波CT物探工作，对该区域地层结构及岩溶发育情况进行综合研究。

2.3 地震波CT技术的应用情况

采用StrataView R24型浅层地震仪1台、XW5512A型电火花震源1台、CH3型高灵敏度12道声波探头2套，每个接收探头均采用20倍集成运算放大器实现阻抗匹配、抑制道间串扰。

在使用地震波CT技术进行勘探时，首先应对墩台的四角桩位进行钻孔勘探，并做好传感器和信号线的选择、埋设、保护及钻孔封闭等工作节。然后进行地震波CT检测，在发射孔按1.0 m间距设置激发点，在接收孔按1.0 m间距设置接收点，收点进行接收，共计完成了两条地震波CT剖面，见图2。

该工程桥梁墩台形状为长方形，尺寸为16 m×11 m，桩间距为4.0 m。为准确地查明墩台下方的溶洞发育情况，需要一个合理、经济的地震波CT布置方案。在该桥7号墩共布置10根桩基，孔深为70 m，逐桩钻探；然后结合采用地震波CT技术的综合勘探方法，共计完成3条地震波CT剖面，减少钻孔布置至4个，钻孔、桩位及CT透视平面布置示意见图2。

图2 工程7号墩勘探孔及地震波CT孔位布置

后期结合钻探成果及管波探测成果对最终的跨孔地震波CT探测成果进行解译，管波探测成果及地质柱状图见图3。

图3 钻孔柱状图及管波解译成果

由图3可知，该物探技术可以很好地反映该区域岩溶的发育情况。规模在1 m以上的岩溶裂隙发育带或大型溶腔发育区，均可在解译成果中得到清晰地体现。同时对地震波CT的解译成果与在解译范围内钻孔资料进行了进一步的复解工作，大部分波速异常区域均能在钻孔资料中得到验证。

地震波CT的解译原则为：先对钻探资料及波速影像图进行充分的综合分析、对比，确定各类岩土层的波速范围及特征；然后根据综合分析、对比确定的岩土层波速范围和特征进行岩土层分类；再根据岩土层分类对波速影像进行地质解释。

最终进行剖面的绘制工作，可以将跨钻孔测试的地震波CT波速的最终成像图结合钻探成果进行综合判释，绘制出指导性的地层剖面，为勘察区岩溶发育程度的分析及后期岩溶处理、桥梁桩基设计提供重要参考，跨钻孔地震波CT测试解译地质剖面见图4、图5。

图4 10-ZD-04814-5～10-ZD-04814-6地质剖面

图5 10-ZD-04814-3～10-ZD-04814-4地质剖面

2.4 地震波CT技术运用情况结果分析

由图4、图5可知，通过结合钻探及地震波CT探测技术相关成果，较完整地反映了该墩台处地层及岩溶发育情况。对跨孔地震波CT解译成果与钻孔管波物探及钻探成果进行综合分析，最终探测的岩溶结果符合率达到75%以上。研究表明，通过地震波CT技术，基本探明了溶洞在该墩台水平和垂直方向的发育情况，减少了重复的财力和物力消耗，节省了钻探费用。研究结果表明，该墩址区存在岩溶古溶槽，开工前及时进行了孔跨优化调整，进而避开古溶槽。设计方案调整的合理性在后期施工中得到了进一步验证，最终确保该工程的顺利进行。

3 结论

(1)通过总结研究地震波CT技术在相关领域的应用情况，认为地震波CT技术在理论研究方面已经较为成熟，可以较好反映所探测体的波速反应特征。

(2)将地震波CT技术尝试应用于沪昆高速铁路桥梁工程的桩基勘察中，很好地揭示了工程场址区的岩溶发育程度及溶腔、溶孔等的赋存情况，解译的精度可达到1 m左右。

(3)结合本工程7号墩台的地震波CT和钻探勘察成果，综合分析研判该墩台处存在较大的古岩溶槽。经过慎重的研判，设计方案进行了针对性地孔跨调整，最终成功避开了该处重大不良地质体。

(4)被探测岩土体边界条件较为复杂，这就导致了其解译结果的多解性。后期需要结合钻探成果进行二次或多次复解，才能使物探成果更接近实际情况。同时需及时建立不同岩土体类型条件下的解译标准，以进一步提高解译的精度和效率。