跨孔地震CT在地鐵巖溶勘察中的應用

史曉忠

（無錫市政設計研究院有限公司，江蘇 無錫 214000）

0 引言

隨著城市軌道交通的發(fā)展，越來越多的城市地鐵建設都不可避免地要通過巖溶發(fā)育區(qū)。而在巖溶區(qū)進行施工建設，很容易引起地面塌陷、隧道突泥及突水等地質災害問題。在無錫市地鐵4號線的工程勘探中發(fā)現(xiàn)，部分灰?guī)r地段發(fā)育有不同規(guī)模的巖溶，洞徑幾十厘米到十幾米不等，巖溶類型為覆蓋型，上覆地層為第四系沉積物。為了避免施工過程中發(fā)生事故，必須采取有效的手段查明巖溶的具體位置和規(guī)模。傳統(tǒng)的鉆探和物探方法由于其較高的成本及特殊性而很難對一些發(fā)育不均勻、地質情況復雜的巖溶得出全面而有效的分析[1]。相比較而言，跨孔地震CT技術可以借助前期鉆孔釋放彈性縱波，探測深度不受影響并可以查明橫向連續(xù)的破碎帶和空間分布，彌補了傳統(tǒng)勘探方法的不足。此外，該技術還可對孔間巖土體進行逐層掃描，通過Matlab解譯生成探測區(qū)的波速等值線云圖，使得剖面內(nèi)的地質異常體能更加直觀地表現(xiàn)出來，因此跨孔地震CT技術用于探測巖溶分布是一種可行、理想的方法。

跨孔地震CT技術具有精度高、實用性強等優(yōu)點，但其精度也受系統(tǒng)硬件性能及反演軟件的影響[2]。此外數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場條件的干擾，包括建筑物、路面交通情況等，導致測試結果存在一定的誤差。本文采用已有的Matlab程序對原始波形進行濾波、反演計算介質波速，并在二維剖面內(nèi)成像，以此來分析地下巖溶發(fā)育情況，彌補了前期地質勘探資料的不足，為后期工程施工提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)工程地質特征

本次研究區(qū)域為無錫地鐵4號線3號標段四院站-河埒口站區(qū)間，如圖1所示。線路主要沿惠河路、英俊路和蠡溪路，同時下穿青祁路高架、穿越產(chǎn)業(yè)新村和上蔣巷居民區(qū)。場區(qū)較平坦，現(xiàn)狀地面標高在5.0～9.8 m之間。該場地地貌單元屬長江三角洲沖積平原。無錫市位于揚子準地臺下?lián)P子-錢塘褶皺帶東端。印支運動使該區(qū)褶皺上升成陸，燕山運動發(fā)生，使地殼進一步褶皺斷裂，并伴之強烈的巖漿侵入和火山噴發(fā)。至白堊紀晚世漸趨寧靜，該區(qū)構造格架基本定型；新生代以來，地殼運動總的特點是山區(qū)緩慢上升、平原區(qū)持續(xù)緩慢下降。工程沿線場區(qū)位于蘇錫常斷裂、和橋-陽山斷裂交匯處，形成不同體系的構造斷裂面錯綜復雜交織在一起的主要構造格局，如圖2所示。并且沿線場區(qū)內(nèi)主要斷裂均為第四紀早、中期斷裂，都不是晚更新世以來有活動的斷裂。

圖1 研究區(qū)工程位置圖

圖2 場地地質構造圖

區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)被第四系地層覆蓋，基巖裸露區(qū)基本分布在江陰復式褶皺和太湖北岸。在本工程區(qū)揭露的基巖為石炭系黃龍組地層，主要以微晶灰?guī)r為主，夾有少量白云巖團塊，塊狀構造。自下而上分別為微風化灰?guī)r、中等風化灰?guī)r、強風化灰?guī)r。區(qū)域資料顯示，地層層面向南東傾，傾角較緩，大部分在10°~20°之間。巖體中裂隙較發(fā)育。場區(qū)基巖埋深較大，巖體受上部巖土體自重應力作用，結構面閉合度一般。

2 現(xiàn)場跨孔地震CT試驗

2.1 跨孔地震CT工作原理

常見的CT方法按激發(fā)與接收空間布局分為井地CT和跨孔CT；按物理場探測技術分為高密度電法、超聲波法、地質雷達法、地震法。高密度電法由于電極與柏油路面耦合差，接地電阻太大，因此精度較低；超聲波法由于巖石對高頻吸收和衰減都比較快且散射嚴重，探測距離短；地質雷達法電磁波能量衰減強烈，在高導磁厚覆蓋條件下，探測范圍受到間距限制，且易受電線、電纜等非探測目標的干擾[3]。相比這些，地震法在井中或地面激發(fā)，激發(fā)能量和孔間距較大，只要鉆孔不受限制其具有很高的精度。

跨孔地震CT是通過地質體（結構）的外部地震波走時和衰減的觀測數(shù)據(jù)，來準確、可靠地反演出地質體內(nèi)部結構的直觀圖像[4]。地震波穿透巖土介質時，其速度快慢與巖土介質的彈性模量、剪切模量、密度有關。密度大、強度高的巖石模量大、波速高、走時短，反之亦然。完整堅硬、孔隙度小的巖體波速高，吸收弱、能量衰減?。黄扑閹r體和松散的土體波速低、吸收強、能量衰減大，因而地震CT圖像能可靠反映各類巖土體的分布界線及巖體的破碎程度和分布[5]?？缈椎卣餋T即在第一個孔內(nèi)發(fā)射地震波，在第二個孔內(nèi)用檢波器接收，數(shù)據(jù)傳輸?shù)降卣鹩涗泝x中保存，后期再進行處理分析，把地震波傳播路徑疊加后成像，最后對地震波進行分析，以此來研究基巖深度范圍內(nèi)兩孔之間測線上巖體中洞穴發(fā)育情況。

2.2 測線布置

在本次CT探測中，在激發(fā)孔中采用電火花作為激發(fā)震源，炮點間距0.5 m。在接收孔內(nèi)布設100 Hz檢波器串，檢波器間隔1 m；為了提高檢測精度，在第一次試驗完成后，將100 Hz檢波器串提高0.5 m，再進行一次探測。信號采用瑞典ABEM公司生產(chǎn)的RSA24地震儀進行采集，精度較高，完全可以滿足工程要求；記錄長度0.2 s，采樣間隔0.125 ms；激發(fā)孔孔內(nèi)1點激發(fā)，接收孔內(nèi)12個點接收。鉆孔深度大于隧道底板以下10~15m，為了減小沉渣對探勘的影響，將勘探孔深度定于探測深度以下1~2 m。測線布置采用一孔與周圍多孔聯(lián)合進行測量，有效減少了鉆孔數(shù)量，節(jié)約了鉆探成本。本次鉆孔及測線布置如圖3所示。

圖3 鉆孔及測線布置

在實測資料的數(shù)據(jù)處理中，按照數(shù)據(jù)濾波、拾取初至波走時、反演波速、CT圖像成圖的步驟進行。其中，CT圖像反映的是成像剖面內(nèi)彈性縱波的波速等值線云圖。

3 結果與分析

本次探測共完成了17個物探鉆孔、23條CT物探剖面。由勘探孔柱狀圖來看，基巖埋深21~32m，土巖界面起伏較大，石芽較為發(fā)育，存在古溝壑。由跨孔CT解譯結果來看，巖體波速在2~3.5 km/s，探測范圍內(nèi)巖體的風化程度為中等，沒有充填的溶洞波速小于700 m/s，被碎屑物充填的溶洞波速約700~900 m/s。根據(jù)比較跨孔地震CT結果波速等值線圖和鉆孔資料，將現(xiàn)場測試結果與鉆探取芯結果進行對比，將場地地質異常類型分為裂隙、泥質填充型溶洞、溶洞、松散土體（空洞）。取場區(qū)內(nèi)22號孔-109號孔測線為例，如圖4所示。該等值線云圖共揭示了3個地質異常點。

圖4 22號孔-109號孔間CT探測解譯巖體波速等值線云圖

跨孔地震CT解譯結果發(fā)現(xiàn)，場地地基下部灰?guī)r段巖溶比較發(fā)育。經(jīng)對20多條測線解譯結果統(tǒng)計分析，共發(fā)現(xiàn)33處溶洞，其中泥質充填型25處，無充填溶洞8處，溶洞直徑一般為0.5~1.5 m，個別達2 m以上；發(fā)現(xiàn)8處巖體破碎帶，破碎帶范圍一般小于3 m。溶洞匯總如表1所示。

根據(jù)場地不同、區(qū)域巖溶的發(fā)育程度以及對盾構施工的技術要求需要，將隧道底板標高下10m深度范圍內(nèi)的地質異常點繪制成平面圖，如圖5所示。結合場區(qū)地質資料及本次跨孔地震CT的結果，繪制出了該場區(qū)的巖溶剖面圖，如圖6所示。從圖6中可以看出巖溶發(fā)育呈垂直方向的多層性。

4 結語

（1）場區(qū)溶巖發(fā)育具有垂直方向多層性，且具有明顯的強弱交替分布。溶洞多發(fā)育在高程-40 m以上范圍內(nèi)，發(fā)育較多但規(guī)模較小。溶洞充填率較高，全充填溶洞充填物多為硬塑狀黏土，半充填溶洞充填物多為粉質黏土。

表1 溶洞匯總表

圖5 隧道底板下10 m異常點分布平面圖

（2）通過鉆探與跨孔地震CT相結合的方法，查明了場地橫向和縱向上溶洞的發(fā)育情況，彌補了前期勘察結果的不足。良好的測試效果表明跨孔地震CT在工程地質勘探中有著廣泛的應用前景。

圖6 場地巖溶剖面圖