跨孔地震CT在地铁勘察中浅析

随着城市建设的发展，地铁成为重要组成部分，而岩溶发育地区，探明岩溶发育特征对地铁施工进度和建设安全尤为重要。跨孔地震CT利用地下介质的弹性波速度差异，通过反演和解译初至波携带信息，可以很好地实现岩溶区域的波速成像。本文介绍了跨孔地震CT的应用现状和基本原理，并以深圳市某地铁岩溶勘察项目为例，发现跨孔地震CT能够较清晰的勾勒出土石分界面以及溶蚀和溶洞的分界线，确定溶洞的大小和位置，为地质解释提供依据，最后利用验证孔验证了结果的有效性。近年来，中国地铁系统得到了快速的发展，在城市地铁建设中，隧道盾构机发挥着越来越重要的作用，岩溶是我国南方常见的地质特征，很容易在盾构机工作过程中造成塌陷和涌水等灾害，严重影响了施工安全和工期，因此通过物探技术来探明地下岩溶的发育情况、位置和大小显得尤为重要。常用的地面物探方法如大地电磁法和高密度电法，由于场地限制和精度要求，在城市岩溶勘察中难以实现岩溶的高精度探测，而跨孔地震CT利用地下介质的波速差异，研究地震波在地下介质的传播规律来达到探查岩溶分布的目的，与传统物探方法相比，具有较高的分辨率和信噪比等优点。跨孔地震CT始于20世纪70年代初，Chapman首次将Radon变换应用到地震中，并提出井间地震层析成像的概念，此后在不同领域得到了广泛应用。2016年刘黎通过跨孔地震CT剖面对岩画山体的完整性进行了分析，2018年邓逆涛等将该方法应用到桩基检测中并反演得到了整个桩身情况。本文介绍了跨孔地震CT应用现状和原理，并结合深圳某地铁岩溶勘察项目展开跨孔地震CT有效性的研究，总结了岩溶对原始地震记录的影响，并通过识别波速剖面图中的低速区域判断了岩溶的分布特征，最后结合验证孔资料验证了跨孔地震CT法在地下岩溶中探测中的有效性。

1.跨孔地震CT原理

跨孔地震CT法又称为跨孔地震层析成像，是以地震波在地下介质中的波速差异为物性基础，通过采集初至波到达时间来反演得到孔间波速剖面的地震方法。跨孔地震CT法将震源和接收器都放置在地表以下的孔中，来避免近地表环境引起的衰减和散射，并采用一激多收的方式进行探测，相比于传统地震方法，因为在孔内激发，能够更精确地描述地下介质的空间结构和分布。跨孔地震CT观测系统如图1所示。

2.应用实例

2.1工程概况

工区位于冲洪积平原地貌单元，覆盖层主要为人工填土和残积黏性土，下伏基岩为微风化灰岩，岩质坚硬。地下水处于垂直循环带，主要为孔隙潜水和裂隙岩溶水，水位受季节变化影响较大，根据钻探资料表明岩溶比较发育，为覆盖性岩溶，大部分溶洞内无填充物，少部分有充填物，充填物主要为软塑状粉质黏土和砂石，溶洞内和覆盖层纵波波速小于2000m/s，溶蚀发育区域纵波速度在2000m/s~4000m/s之间，完整灰岩的纵波速度大于4000m/s，明显的波速差异也为跨孔地震CT的开展提供了物性基础。

2.2数据采集

按车站轮廓线沿车站敷设方向布置三排钻孔，孔间距在15m~30m之间，为了比较溶洞对原始记录的影响，取场地内YR-12~YR-33剖面和LC-93~LC-95剖面为例。采用孔间观测系统，即岩溶分布较少的钻孔为发射孔，另一个为接收孔，接收孔内放置24道检波器串，道间距为1m。按照钻孔深度确定排列个数，排列间重合多道数据，单个排列采集时，每放一炮将震源向上提1m，形成图1所示的观测系统，可以发现，地震波射线很好的覆盖了钻孔间的区域。

2.3结果分析

2.3.1完整灰岩2.3.1.1初至拾取YR-12~YR-33剖面中YR-12为激发孔，YR-33为接收孔，孔间距为18m，共有两个排列，第一个排列中震源位置变化范围为11m~47m，24道检波器分布位置在23m~46m之间，第二个排列中震源位置变化范围为11m~35m，24道检波器分布位置在10m~33m之间。图2（a）为第一个排列中震源位于46m时对应的原始地震记录，发现当震源和检波器位于完整灰岩中时，数据质量很高，初至波同相轴连续且变化比较平滑，图2（b）为第二个排列中震源位于35m时对应的原始地震记录，发现在第12道（22m）出现一个拐点，由红色箭头标出，此时该道对应的位置即为地层分界面。2.3.1.2反演成像为了更直观地表现跨孔地震CT对地层分界面的识别，反演得到了如图3所示的波速剖面。图3中地下介质整体呈两层分布，波速差异明显，上层为波速较低的覆盖层，下层为完整灰岩，具有明显的地层分界线，起伏较小。2.3.2溶洞2.3.2.1初至拾取LC-93~LC-95剖面中LC-93为激发孔，LC-95为接收孔，孔间距为21m，共有三个排列，其中第二个排列中震源位置变化范围为5m~47m，24道检波器分布位置在12m~35m之间。图4为第二个排列不同震源位置的原始地震记录，可以发现数据记录整体没有坏道，信噪比整体较高，初至波能量较强，同相轴连续且光滑，拾取的初至时间精度较高，也保证了后续处理的可靠性。图4中的第11道至17道出现初至波走时减小，由红框标注，正好与钻孔图在21.9m至28.9m处的基岩相对应。与图3（a）相比，17道之后的走时下降速度加快，表明该道对应位置开始出现低速异常。2.3.2.2反演成像图5展示了LC-93~LC-95剖面的反演波速剖面和解释剖面，波速剖面图整体上呈三层，表层为低速的覆盖层，深度在21m左右，中层为一较大溶腔，下层为灰岩，层间有清晰的地层分界线，在灰岩地层中存在四个低速带，结合钻孔资料解释为岩溶发育区，覆盖层和灰岩以及低速带与完整灰岩相接处解释为溶蚀。图5中的四个岩溶分别用L-1、L-2、L-3、L-4和L-5编号。L-1号岩溶与上覆填土仅相隔2m多的溶蚀带，在外部因素触发下，上覆填土易沿裂隙或溶隙流失，具有较差的稳定性，L-3号溶洞顶板厚度为1.8m，溶洞顶板基岩为全风化灰岩，岩体自稳性差，承受上部荷载能力弱，并且由于全风化灰岩与溶洞波速差异较小，因此不能准确识别出溶洞边界。L-2号溶洞与L-1号相接，分布位置也与钻孔揭示的对应。为了验证物探揭示的L-1号溶洞，补钻LC-93-1号验证孔，验证孔中灰岩顶板深度为25.1m，与反演剖面解释的深度相差仅为0.8m，验证孔中底板深度为38.2，与反演揭示深度几乎一致。同时可以发现，直径小于1m的L-4号溶洞在地震记录中几乎没有反应，考虑到是检波器间距较小导致的纵向分辨率较低。

3.结语

跨孔地震CT是一种高精度的地球物理勘探方法，在城市岩溶勘察方面与传统勘探方法相比更加可靠和方便快捷。本文通过将跨孔地震CT应用到深圳某地铁，取得以下认识：（1）原始地震记录一定程度上可以较直观地看出地层分界面和低速带给初至波走时带来的变化，同时较好的记录质量可以提高反演精度，保证数据的可靠性，为此可以采取相应的措施，如夜间工作、改善检波器与孔壁的耦合情况等方法。（2）跨孔地震CT能够很好地揭示完整灰岩的界面起伏形态，溶洞分布位置及大小，与钻探资料结果有较高的一致性，证明该方法可以满足地铁岩溶的勘察精度要求，能够为地铁施工灌浆量的确定提供参考。

作者:王琪琪 单位:中铁第一勘察设计院集团有限公司