跨孔地震CT在類巖溶地層中的應用效果分析

柏建利，董曉宏，佘棟成

(四川省蜀通巖土工程公司， 四川 成都 610000)

巖溶地層是我國普遍存在的一種地層，巖性一般以灰?guī)r為主，溶洞等不良地質條件發(fā)育，地質條件較復雜，對構筑物地基造成極大的不利影響。在某些鈣質巖地區(qū)，巖石中的鈣質碎屑膠結物在地下水的長期作用下發(fā)生溶蝕，形成類似溶洞的空洞(槽)，這與碳酸巖溶蝕后的巖溶現(xiàn)象相似，被稱為類巖溶現(xiàn)象[1]。張強[2]對鈣質礫巖的發(fā)育特征及滲透穩(wěn)定性方面做了較為深入研究，賈龍等[3]對我國紅層巖溶的特征進行了一定的研究，王錦國等[4-6]對鈣質礫巖溶蝕規(guī)律及機理進行過了研究，孫瑜等[7]分析了鈣質礫巖對水庫的滲漏影響。目前工程中常見類巖溶地層的主要溶蝕類型有鈣質砂巖溶蝕、鈣質礫巖溶蝕，由于鈣質巖中Ca2+分布受成巖環(huán)境及外界環(huán)境影響，分布不均勻，形成的溶蝕程度各不相同，且規(guī)律性較差，局部溶洞中存在溶蝕殘留物，有時物探手段難以清晰分辨溶洞輪廓，且鉆探手段僅能以點帶面，使類巖溶地層溶洞(槽)的探測具有模糊性，但其對工程的危害程度較巖溶地層并不低，應在工程中引起足夠的重視。

類巖溶地區(qū)地質條件復雜，構造形態(tài)多變，缺乏規(guī)律性，對勘察工作帶來較大難度。傳統(tǒng)的勘察手段一般以鉆探為基礎，結合高密度電法、瞬變電磁等常規(guī)物探手段探測，但傳統(tǒng)鉆探手段揭露的范圍十分有限，只能根據(jù)孔與孔之間推測連線，加之類巖溶地區(qū)溶蝕的不規(guī)律性，推測出的溶洞(槽)和地質界線與實際情況相差甚遠；且傳統(tǒng)物探手段僅在地表進行探測，物探精度較差，對溶洞的探測效果難以滿足工程需要，小型溶洞(槽)更是難以探測，導致探測結果的指導性較差。

近年來我國對巖溶的探測采用了多種手段，胡讓全等[8]和李文文等[9]在實際工程中采用了高密度電法、地震波CT、電磁波CT和孔內雷達等綜合物探手段進行探測，均取得了良好的效果。周醒馭等[10]將單片機輔助的探地雷達采樣方法運用到了巖溶探測中，發(fā)現(xiàn)該方法可更加方便準確的通過探地雷達定位地下巖溶位置。跨孔地震CT技術是一種近年來逐漸興起的一種高新探測技術，在灰?guī)r巖溶地層溶洞探測中得到了廣泛的應用，取得了良好的效果[11-17]。韋斯等[18]將地震CT技術運用到了壩址河床隱伏斷層的探測，效果良好。毛承英等[19]從三維角度初步探求了基于GOCAD的地震CT技術在巖溶探測中的運用。但目前跨孔地震CT在類巖溶地層中的應用相對較少，尚無系統(tǒng)的研究成果，由于類巖溶地層的特殊性，其探測效果還需進一步對比驗證。本文結合我國西南某攔河閘右岸交通橋基礎的類巖溶地層勘察成果，結合高精度鉆孔對比分析跨孔地震CT在鈣質礫巖中探測效果，并探求其應用價值。

1 工程概況及工程地質條件

該交通橋工程位于岷江干流的主河道中，共包括7個橋墩，分別為12、14、16、18、20、21、22號橋墩，橋墩軸線長度20 m，12、14、16、18、20號橋墩間距為29.0 m，20、21、22號橋墩間距為17.5 m。根據(jù)設計單位提供的基礎方案，橋墩初步擬采用樁基礎，重點需要查明樁基巖溶發(fā)育情況，為樁基布置位置提供依據(jù)。

根據(jù)鉆探揭露情況，右岸橋位區(qū)地質條件十分復雜?；鶐r主要分布在12～16號橋墩，巖性為礫巖，鈣質和硅質膠結，基巖面起伏劇烈，局部呈隱伏筍芽狀或蜂窩狀，溶槽(洞)發(fā)育，槽(洞)壁凹凸起伏，邊界極不規(guī)則，槽壁處溶蝕現(xiàn)象明顯，溶蝕空腔發(fā)育，基巖破碎—較破碎。溶槽內物質以含卵石粉質黏土、含礫粉質黏土為主，夾含泥細砂、含礫細砂等透鏡體，溶蝕凹腔及溶洞內以軟塑或流塑狀粉質黏土(鉆桿掉落或自行緩降)、含泥礫石為主。綜合鉆探成果分析，該地區(qū)溶蝕結構一般處于溶槽側壁附近，大部分相互連通，呈半封閉狀態(tài)。

2 跨孔地震CT基本原理及技術方法

鉆孔地震波層析成像(CT)是在兩孔間采用一發(fā)多收的扇形觀測系統(tǒng)(一孔激發(fā)，另一孔多道接收)，組成密集交叉的射線網(wǎng)絡，然后根據(jù)射線的疏密程度及成像精度劃分規(guī)則的成像單元，運用彎曲射線追蹤理論，采用最小走時反演算法計算出各成像單元的地震縱波速度值，從而形成被測區(qū)域的波速圖像(以等值線的形態(tài)來表示)，根據(jù)波速差異來劃分巖體的質量，確定地質構造及軟弱巖帶的空間分布，鉆孔地震波CT觀測方式示意圖如圖1所示。

圖1鉆孔地震波CT觀測方式示意圖

該工程的探測野外工作方法采用一發(fā)多收扇形觀測系統(tǒng)，一鉆孔激發(fā)，另一鉆孔接收。數(shù)據(jù)采集儀器為國產(chǎn)HX-DZ-02A型地震儀，鉆孔成像檢波器為國產(chǎn)壓電式井中檢波器串；鉆孔間成像震源為電火花震源，激發(fā)電壓一般為5 000 伏～6 000 伏、激震能源約為1.2萬焦耳，鉆孔檢波器間距和炮點距均為1.0 m。

將獲得的地震透射有效記錄讀取初至走時，并與相應的激發(fā)及接收點坐標形成數(shù)據(jù)文件。采用SeisCT地震透射層析成像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，將各成像區(qū)域劃分成1 m×1 m的成像單元，首先進行5次直線迭代，建立初始模型，再進行6次最小走時射線追蹤，將其結果加權平滑形成地震波速圖像。以級差500 m/s繪制地震縱波速度等值線，最終形成地震波層析成像波速圖。

3 右岸橋基跨孔地震CT布置思路及方法

本次勘察主要在橋軸線鉆探的基礎上，利用橋墩兩端鉆孔進行地震CT測試，然后對鉆探結果和地震CT成果進行對比分析，驗證地震CT效果，為橋墩兩側及其他橋墩的地震CT成果分析提供參考，從而節(jié)省鉆探工作量和工期。

12號、14號、16號橋墩軸線長度為20.4 m。其中12號橋墩共布置7個鉆孔，間距為1.6 m～4.1 m，鉆孔深度63.0 m～75.5 m；14號橋墩共布置6個鉆孔，間距為2.4 m～4.1 m，鉆孔深度61.3 m～75.5 m；其中16號橋墩共布置5個鉆孔，間距均為4.1 m～6.5 m，鉆孔深度61.0 m～75.9 m。根據(jù)鉆探初步成果，基巖主要集中在12號、14號、16號橋墩。跨孔地震CT剖面線布置如圖2所示。為防止測試期間在震源作用下垮孔，試驗采用PE管置于孔內進行護壁。

圖2跨孔地震CT剖面布置圖

4 跨孔地震CT成果和鉆探成果對比研究

地震CT根據(jù)地震波在不同的介質中傳遞的速度結合鉆探成果來判斷地質情況。一般來說，中風化基巖的波速高于強風化基巖，強風基巖高于覆蓋層，覆蓋層也根據(jù)成分不同波速有一定不同，根據(jù)相對關系可以圈出波速較低的非基巖區(qū)和波速較高的基巖區(qū)，結合鉆探成果綜合判斷不良地質區(qū)。

圖3為16號橋墩軸線跨孔地震CT成果剖面與不同精度鉆探地質剖面的對比圖。

圖3 16號橋墩地震CT剖面與不同精度的鉆探地質剖面對比圖

從圖3(a)中可知，鉆探剖面僅布置16-1和16-7兩個鉆孔，兩個鉆孔揭露的信息十分有限，對于兩孔之間的地質信息只能粗略推測，精度不能滿足工程需要；而地震CT剖面圖能較清楚反映剖面之間存在的高波速區(qū)和低波速區(qū)，尤其是下游的深槽和上游的低速異常區(qū)揭露較明顯，推測為溶槽、溶洞，其揭露地質信息的完整性遠高于只有兩個鉆孔的情況；在圖3(b)中，鉆探剖面在中間增加了16-4孔，在鉆探精度提高后，可以明顯看出地震CT所揭露的溶槽壁在16-4有所揭露，溶槽壁的整體輪廓也與CT圖基本吻合，雖然細部結構探測存在不足，但進一步證明了CT成果圖所反映信息的可靠性；在圖3(c)中，鉆孔進一步加密至5個鉆孔后，可以看出，鉆探剖面揭露的溶槽和覆蓋層在地震CT圖上均顯示為低波速區(qū)，且基覆界線兩側波速有明顯的差異，地震CT圖上揭露的深溶槽的位置、上下游溶槽壁基巖的凹凸輪廓與鉆探剖面總體吻合。從圖3可知，16號橋墩區(qū)域至少需要3個鉆孔探測才能初步確認溶槽的存在，但對其位置、形態(tài)尚無法確認；補充至5個鉆孔才基本明確了溶槽的位置和局部槽壁邊界形態(tài)，但對孔間地質情況尚需推測；而跨孔地震CT僅需要在兩個端部打兩個孔即可較為精確探明整個橋墩的地質情況，發(fā)現(xiàn)鉆孔未揭露的地質異常，既能節(jié)約投資，又能加快施工進度。

圖4為14號橋墩高精度鉆孔剖面與地震CT剖面對比圖。從圖4中可知，14號墩位于溶槽邊緣，地震CT圖中顯示橋墩下游在625.0 m～645.0 m、665 m以上為相對低速區(qū)，該區(qū)域在鉆孔中均揭露了覆蓋層或溶蝕凹槽，除了局部凹凸起伏形態(tài)和鉆探揭露稍有差別外，溶槽壁基巖輪廓與鉆孔揭露的情況基本吻合，說明地震CT方法在該工程中反映的地質情況在鉆孔中基本得到了有效驗證，效果良好。

圖4 14號橋墩CT剖面與最終鉆探地質剖面對比圖

從圖3(c)和圖4的CT圖上可以看出：首先，所有波速帶均為連續(xù)分布，即不同的地層即使物理性質差異很大，波速帶顯示也呈連續(xù)過渡狀態(tài)，在地質界線附近并未真實反映地層特征波速，僅可能表現(xiàn)為一種波速的趨勢變化，這就導致靠近基巖部分的覆蓋層表現(xiàn)為相對高波速區(qū)，或者說靠近覆蓋層的基巖表現(xiàn)為相對較低波速，基覆界線存在一定容差性；如圖3(c)中16號墩650 m高程以上的基巖部分由于范圍較小，在CT圖中表現(xiàn)為波速明顯增高，雖未達到基巖的特征波速，但仍可以體現(xiàn)波速趨勢的變化，需要在成果解譯中結合實際情況判別。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礫石均靠近基巖，屬于強風化基巖和含礫粉質黏土之間的過渡形態(tài)，在波速上表現(xiàn)與強風化基巖接近，尤其當?shù)[石含礫量較高時，其波速表現(xiàn)與強風化基巖的差別并不明顯。

存在的不足方面：首先，圖3(c)在16-1孔655.0 m～670.0 m段、633.0 m～637.0 m段地震CT影像圖上顯示有低波速區(qū)，可以判斷在此區(qū)域存在溶洞(槽)，但鉆孔并未揭露，說明CT圖中揭露的溶洞位置和實際稍有偏差，溶洞位于鉆孔周邊，即地震CT的精度在該區(qū)域存在一定不足。其次，圖4中14號墩的14-3、14-4、14-5孔揭露的狹窄串珠狀溶洞(槽)在CT圖中并未顯示，說明在周邊巖石均較完整的情況下，雖然波速帶分布均一性較差能說明一定問題，但局部出現(xiàn)的溶洞并不能有效的反映出來，CT成果在揭露該類溶蝕結構方面還存在不足，究其原因，主要是因為鈣質礫巖中鈣質溶蝕后部分溶洞內有殘留母巖顆粒，溶洞(槽)周邊的礫巖受鈣質膠結的影響，巖體較破碎，邊界及形狀不規(guī)則，呈過渡相，且形狀一般為不規(guī)則窄槽，而CT圖的波速帶逐級過渡顯示特性使得礫巖內部的溶洞在兩側都是高波速的礫巖影響下難以表現(xiàn)出來。最后，在兩圖中鉆孔揭露的溶槽壁凹凸起伏較頻繁，但CT圖中對該類細部結構的揭示效果還有所欠缺，說明在精細巖溶的揭露方面也存在一定不足。

綜上，本區(qū)強風化礫巖的地震波速一般在3 000 m/s～4 500 m/s，中風化礫巖的地震波速一般在4 500 m/s～6 000 m/s，覆蓋層一般地震波速在1 500 m/s～3 500 m/s。根據(jù)本工程實際應用，地震CT對類巖溶地層中的應用效果雖然存在一定不足，但基覆界線的整體輪廓、開放性深溶槽的揭露效果較好，相比傳統(tǒng)鉆孔探測具有省時、節(jié)約以及高效的優(yōu)勢，特別在宏觀地質方面有較高的工程應用價值。

5 跨孔地震CT成果應用

根據(jù)地震CT在類巖溶地層中的應用效果，可以對本工程優(yōu)化提供一定的指導意義。本工程如果采用全部鉆探的方式對橋墩軸線和兩側進行探明，則需要布置大量鉆孔，既不經(jīng)濟，工期也不允許。跨孔地震CT在勘察中可以作為重要手段加以應用。

首先，可以對橋墩軸線地質條件進行初判后優(yōu)化勘探工作?？缈椎卣餋T方法可以在初期施工時采用少量的地震CT鉆孔對橋墩軸線進行探測，初步判斷地質情況，為軸線補充鉆孔布置提供有效依據(jù)。如圖5所示，12號橋墩在12-1和12-7的CT成果圖初步顯示，高程660 m以下基巖均一性較好，波速均在4 500 m/s以上，未發(fā)現(xiàn)明顯不良地質體，可初步判斷為基巖；高程660 m以上基巖完整性較差，分布有溶蝕凹槽及低波速的覆蓋層。根據(jù)CT圖所解析的地質剖面，可初步了解該墩軸線以基巖為主，完整性較好，具備作為端承樁的初步條件。在工期等條件允許的情況下，可根據(jù)該成果減少鉆孔數(shù)量或深度，重點放在橋墩兩側地質條件。

圖5 12號橋墩地震CT剖面及其解析地質剖面圖

其次，跨孔地震CT方法可以修正地質剖面。如圖6所示，16號橋墩主要靠5個鉆孔揭露，但類巖溶地質條件復雜，規(guī)律性差，地震CT剖面可以對鉆孔之間的基覆界線形態(tài)和鉆孔之間未揭露的溶洞(槽)進行補充修正。如在16-1孔655.0 m～670.0 m段、633.0 m～637.0 m段地震CT影像圖上顯示有低波速區(qū)，可以判斷在此區(qū)域存在溶洞(槽)或強風化帶，但鉆孔未揭露，可以判斷該異常區(qū)存在于16-1和16-3之間；中深部溶槽邊界形態(tài)也可以根據(jù)CT圖進一步修正。二者結合可以使地質剖面更加接近實際情況。

圖6 4號橋墩CT剖面與綜合修正剖面對比圖

最后，跨孔地震CT方法可以對橋墩兩側地質條件進行初步探查，為補充鉆孔的必要性和位置提供依據(jù)。如圖7所示，12-4—14-3之間均為基巖，僅局部發(fā)現(xiàn)少了相對低波速區(qū)，未發(fā)現(xiàn)較明顯的大型溶蝕結構，即12-4右側和14-3左側均為較完整基巖，無明顯不良地質條件，無需補充鉆探；在14-3右側有較清晰的基巖邊界，其距離14號墩軸線約7 m～8 m，故該處樁基均處于基巖上，且留有足夠的安全距離，無需補充鉆探；16-4左側在640 m高程以下才可能揭露完整基巖，以上均為覆蓋層。通過橋墩兩側的地震CT成果，可以揭露橋墩兩側初步地質條件，并為進一步優(yōu)化鉆孔布置提供依據(jù)。

6 結 語

通過對橋墩的跨孔地震CT的應用效果對比研究，發(fā)現(xiàn)該方法能夠較清晰的顯示巖壁、基覆界線輪廓等，實際應用中具有較突出的優(yōu)勢。相對于傳統(tǒng)鉆探，跨孔地震CT對類巖溶地層在總體地質條件探測、優(yōu)化勘探工作量、節(jié)省投資、加快工期等方面具有較高的應用價值。 由于類巖溶地層溶蝕結構復雜多變，在精細類巖溶探測還存在一定不足，在復雜的地質條件下，CT圖具有多解性，故合理的數(shù)據(jù)解析至關重要，需要在以后的工作中進一步在技術和數(shù)據(jù)分解析方面進行完善和改進，為類巖溶地層中的地震CT效果和應用價值積累經(jīng)驗。

圖7 12～16號橋墩地震波CT及綜合修正剖面成果