跨孔地震CT在地鐵勘察中淺析

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隨著城市建設的發展，地鐵成為重要組成部分，而巖溶發育地區，探明巖溶發育特征對地鐵施工進度和建設安全尤為重要。跨孔地震ct利用地下介質的彈性波速度差異，通過反演和解譯初至波攜帶信息，可以很好地實現巖溶區域的波速成像。本文介紹了跨孔地震CT的應用現狀和基本原理，并以深圳市某地鐵巖溶勘察項目為例，發現跨孔地震CT能夠較清晰的勾勒出土石分界面以及溶蝕和溶洞的分界線，確定溶洞的大小和位置，為地質解釋提供依據，最后利用驗證孔驗證了結果的有效性。近年來，中國地鐵系統得到了快速的發展，在城市地鐵建設中，隧道盾構機發揮著越來越重要的作用，巖溶是我國南方常見的地質特征，很容易在盾構機工作過程中造成塌陷和涌水等災害，嚴重影響了施工安全和工期，因此通過物探技術來探明地下巖溶的發育情況、位置和大小顯得尤為重要。常用的地面物探方法如大地電磁法和高密度電法，由于場地限制和精度要求，在城市巖溶勘察中難以實現巖溶的高精度探測，而跨孔地震CT利用地下介質的波速差異，研究地震波在地下介質的傳播規律來達到探查巖溶分布的目的，與傳統物探方法相比，具有較高的分辨率和信噪比等優點。跨孔地震CT始于20世紀70年代初，Chapman首次將Radon變換應用到地震中，并提出井間地震層析成像的概念，此后在不同領域得到了廣泛應用。2016年劉黎通過跨孔地震CT剖面對巖畫山體的完整性進行了分析，2018年鄧逆濤等將該方法應用到樁基檢測中并反演得到了整個樁身情況。本文介紹了跨孔地震CT應用現狀和原理，并結合深圳某地鐵巖溶勘察項目展開跨孔地震CT有效性的研究，總結了巖溶對原始地震記錄的影響，并通過識別波速剖面圖中的低速區域判斷了巖溶的分布特征，最后結合驗證孔資料驗證了跨孔地震CT法在地下巖溶中探測中的有效性。

1.跨孔地震CT原理

跨孔地震CT法又稱為跨孔地震層析成像，是以地震波在地下介質中的波速差異為物性基礎，通過采集初至波到達時間來反演得到孔間波速剖面的地震方法。跨孔地震CT法將震源和接收器都放置在地表以下的孔中，來避免近地表環境引起的衰減和散射，并采用一激多收的方式進行探測，相比于傳統地震方法，因為在孔內激發，能夠更精確地描述地下介質的空間結構和分布。跨孔地震CT觀測系統如圖1所示。

2.應用實例

2.1工程概況

工區位于沖洪積平原地貌單元，覆蓋層主要為人工填土和殘積黏性土，下伏基巖為微風化灰巖，巖質堅硬。地下水處于垂直循環帶，主要為孔隙潛水和裂隙巖溶水，水位受季節變化影響較大，根據鉆探資料表明巖溶比較發育，為覆蓋性巖溶，大部分溶洞內無填充物，少部分有充填物，充填物主要為軟塑狀粉質黏土和砂石，溶洞內和覆蓋層縱波波速小于2000m/s，溶蝕發育區域縱波速度在2000m/s~4000m/s之間，完整灰巖的縱波速度大于4000m/s，明顯的波速差異也為跨孔地震CT的開展提供了物性基礎。

2.2數據采集

按車站輪廓線沿車站敷設方向布置三排鉆孔，孔間距在15m~30m之間，為了比較溶洞對原始記錄的影響，取場地內YR-12~YR-33剖面和LC-93~LC-95剖面為例。采用孔間觀測系統，即巖溶分布較少的鉆孔為發射孔，另一個為接收孔，接收孔內放置24道檢波器串，道間距為1m。按照鉆孔深度確定排列個數，排列間重合多道數據，單個排列采集時，每放一炮將震源向上提1m，形成圖1所示的觀測系統，可以發現，地震波射線很好的覆蓋了鉆孔間的區域。

2.3結果分析

2.3.1完整灰巖2.3.1.1初至拾取YR-12~YR-33剖面中YR-12為激發孔，YR-33為接收孔，孔間距為18m，共有兩個排列，第一個排列中震源位置變化范圍為11m~47m，24道檢波器分布位置在23m~46m之間，第二個排列中震源位置變化范圍為11m~35m，24道檢波器分布位置在10m~33m之間。圖2（a）為第一個排列中震源位于46m時對應的原始地震記錄，發現當震源和檢波器位于完整灰巖中時，數據質量很高，初至波同相軸連續且變化比較平滑，圖2（b）為第二個排列中震源位于35m時對應的原始地震記錄，發現在第12道（22m）出現一個拐點，由紅色箭頭標出，此時該道對應的位置即為地層分界面。2.3.1.2反演成像為了更直觀地表現跨孔地震CT對地層分界面的識別，反演得到了如圖3所示的波速剖面。圖3中地下介質整體呈兩層分布，波速差異明顯，上層為波速較低的覆蓋層，下層為完整灰巖，具有明顯的地層分界線，起伏較小。2.3.2溶洞2.3.2.1初至拾取LC-93~LC-95剖面中LC-93為激發孔，LC-95為接收孔，孔間距為21m，共有三個排列，其中第二個排列中震源位置變化范圍為5m~47m，24道檢波器分布位置在12m~35m之間。圖4為第二個排列不同震源位置的原始地震記錄，可以發現數據記錄整體沒有壞道，信噪比整體較高，初至波能量較強，同相軸連續且光滑，拾取的初至時間精度較高，也保證了后續處理的可靠性。圖4中的第11道至17道出現初至波走時減小，由紅框標注，正好與鉆孔圖在21.9m至28.9m處的基巖相對應。與圖3（a）相比，17道之后的走時下降速度加快，表明該道對應位置開始出現低速異常。2.3.2.2反演成像圖5展示了LC-93~LC-95剖面的反演波速剖面和解釋剖面，波速剖面圖整體上呈三層，表層為低速的覆蓋層，深度在21m左右，中層為一較大溶腔，下層為灰巖，層間有清晰的地層分界線，在灰巖地層中存在四個低速帶，結合鉆孔資料解釋為巖溶發育區，覆蓋層和灰巖以及低速帶與完整灰巖相接處解釋為溶蝕。圖5中的四個巖溶分別用L-1、L-2、L-3、L-4和L-5編號。L-1號巖溶與上覆填土僅相隔2m多的溶蝕帶，在外部因素觸發下，上覆填土易沿裂隙或溶隙流失，具有較差的穩定性，L-3號溶洞頂板厚度為1.8m，溶洞頂板基巖為全風化灰巖，巖體自穩性差，承受上部荷載能力弱，并且由于全風化灰巖與溶洞波速差異較小，因此不能準確識別出溶洞邊界。L-2號溶洞與L-1號相接，分布位置也與鉆孔揭示的對應。為了驗證物探揭示的L-1號溶洞，補鉆LC-93-1號驗證孔，驗證孔中灰巖頂板深度為25.1m，與反演剖面解釋的深度相差僅為0.8m，驗證孔中底板深度為38.2，與反演揭示深度幾乎一致。同時可以發現，直徑小于1m的L-4號溶洞在地震記錄中幾乎沒有反應，考慮到是檢波器間距較小導致的縱向分辨率較低。

3.結語

跨孔地震CT是一種高精度的地球物理勘探方法，在城市巖溶勘察方面與傳統勘探方法相比更加可靠和方便快捷。本文通過將跨孔地震CT應用到深圳某地鐵，取得以下認識：（1）原始地震記錄一定程度上可以較直觀地看出地層分界面和低速帶給初至波走時帶來的變化，同時較好的記錄質量可以提高反演精度，保證數據的可靠性，為此可以采取相應的措施，如夜間工作、改善檢波器與孔壁的耦合情況等方法。（2）跨孔地震CT能夠很好地揭示完整灰巖的界面起伏形態，溶洞分布位置及大小，與鉆探資料結果有較高的一致性，證明該方法可以滿足地鐵巖溶的勘察精度要求，能夠為地鐵施工灌漿量的確定提供參考。

作者:王琪琪 單位:中鐵第一勘察設計院集團有限公司