石學錄 徐明江 宋 兵

1.廣州市建筑集團有限公司 廣東 廣州 510440

2.廣州建設工程質(zhì)量安全檢測中心有限公司 廣東 廣州 510440

引言

碳酸鹽類巖被水的溶解作用，是巖溶區(qū)溶洞等其他巖溶構造形成的主要成因。天然物理狀態(tài)下，溶蝕過程涉及到方方面面各種復雜的物理化學過程，包括物質(zhì)微粒的擴散運動[2]。

在區(qū)域地質(zhì)構造活動中，斷裂、褶皺、節(jié)理等構造類型與成因也千差萬別，不同的成因具有不同的作用機制，導致巖石受力狀態(tài)不同，加上巖石本身特性的不同，使得巖石具有不同的破碎程度。因此，地質(zhì)構造對溶洞等復雜巖溶區(qū)域地質(zhì)的形成起著至關重要的作用。此外，地下水作用對溶洞的發(fā)育方向、規(guī)模與大小都有著重要的影響，不同的溶蝕方向與強度，造成了溶洞幾何形態(tài)和產(chǎn)狀的千差萬別。

1 成像原理

1.1 儀器概況

鉆孔地質(zhì)三維探測成像儀利用鉆孔進行鉆孔大功率彈性波、超聲波成像技術，以超磁或壓電發(fā)射震源向鉆孔周圍360°空間發(fā)射并接收四個方向的聲波信號，從而掃描整個鉆孔周圍徑1～5米范圍圍巖的地質(zhì)情況，生成四個方向的聲波探測影像圖。聲波探測影像圖可以計算分析鉆孔周圍巖體四個方向的有害地質(zhì)體的距離、形狀，確定平面體積和鉆孔的夾角。

儀器配備高頻率37K超聲波以及低頻高能量3k聲吶發(fā)射裝置相結(jié)合，遠近搭配，高低頻搭配，并配置先進的方向定位裝置，每一道波形都有地理方向性，創(chuàng)新效果及實用性能更進一步。利用一個鉆孔即可探測出問題部位的方位、深度與距離，因此此三維立體探測成像儀器，對前期地質(zhì)勘探幫助效果明顯。

在我國基礎設施建設中，樁基礎工程勘察鐘鉆孔周圍有害地質(zhì)體的探測主要探測內(nèi)容有斷裂帶探測、溶洞探測、軟弱巖層探測和地層分層等探測，并可以判定有害地質(zhì)體位于鉆孔的哪一方向：為工程勘察提高精度、節(jié)約費用，提高效益。

1.2 彈性波層析成像技術

依據(jù)彈性波理論，彈性波可分為體波和面波。體波主要包括橫波和縱波，在無限或半空間中傳播。面波主要包括橫波（剪切波）、縱波（壓縮波）等，在無限或半空間中傳播。面波包括瑞利波、斯通萊波、勒夫波等，僅在波阻抗差異界面附近傳播。在液體填充的孔內(nèi)及孔壁上，廣義的瑞利波沿孔的軸向傳播，稱作管波（Tube waves）。常見的管波有兩種類型：斯通萊波和準瑞利波（或稱偽瑞利波）。

鉆孔地質(zhì)三維探測成像儀反演中使用是縱波和斯通萊波，利用鉆孔進行鉆孔大功率彈性波、超聲波成像。基于完整灰?guī)r與巖溶(包括充填物)、溶蝕裂隙及上覆土層之間、巖溶與地下水存在明顯的彈性縱波波速差異（波阻抗差異），從而探測與尋找波阻抗界面，進而確定地下空洞的規(guī)模和分布（圖2成像原理圖）。

圖1 成像原理圖

簡單而言，就是利用彈性波的傳播特性，以射線法求解復雜介質(zhì)的彈性波場。對彈性波方程(1)可得(2)所示的近似解。

其中，其中c為介質(zhì)中的波速，r為震源至波面的法線距離，A為振幅，為波在空間中傳播的相位。由于波前面上每一點在同一時刻處于相同的相位,故通過討論波前的形狀及運動情況就可描述波在介質(zhì)中的傳播過程,就得到一個具有純粹幾何特征的波面。

在層析成像實際應用中,針對探測目標及其背景介質(zhì)情況,選擇合適探測源與發(fā)射頻率，也是結(jié)果是否真實可靠的關鍵。

2 工程實例

2.1 場區(qū)基礎地質(zhì)條件

工作場區(qū)區(qū)域大地構造位置位于華南準地臺(一級單位)湘桂贛粵褶皺帶(二級單位)中的粵中坳褶皺束(三級單位)之東端，三水斷凹盆地(四級單位)。

在地質(zhì)歷史上曾經(jīng)歷過多次構造運動，其中華力西--印支運動使晚古生代發(fā)生過渡性褶皺，伴隨斷裂構造，構造線以北東向為主，次為東西向，而燕山運動規(guī)模最大，活動最強烈，對區(qū)域構造格局的形成影響較為深遠。新生代以來，本區(qū)的構造活動呈現(xiàn)由西北向東南逐漸增強的趨勢，喜山運動以來以差異性斷塊運動和斷裂的繼承活動為主，并伴隨基性偏堿性巖漿的噴溢活動。伴隨著劇烈的地質(zhì)構造活動，該區(qū)域受地下水的長期溶蝕，在灰?guī)r表面及灰?guī)r體中形成溶洞及洼陷，使得后續(xù)基礎施工存在巨大的隱患[5]。

2.2 現(xiàn)場測試

在該項目中，我們選取了溶洞發(fā)育的鉆孔進行具體分析。其中圖2為鉆孔柱狀圖與圖3原始波形；柱狀圖揭露在20.40m進入巖面，并且鉆孔中存在1.70m的全充填溶洞。

經(jīng)過原始波形數(shù)據(jù)反演可以得到波形數(shù)據(jù)深度、橫向分布范圍（圖4）。在深度20.30m處為粉質(zhì)黏土與微分化巖塊的分界面，波形界面清晰；其中，中風化巖塊的厚度大約為0.4m；在中風化巖塊與粉質(zhì)黏土的波形也存在明顯的界面。在20.30m與22.30為半充填溶洞，在波形上面有明確顯示[6]。

圖3 ．鉆孔柱狀圖

圖4 .原始波形

此外，對該孔位反演的波形數(shù)據(jù)進行具體分析，其現(xiàn)場鉆孔數(shù)據(jù)溶洞范圍位置與數(shù)據(jù)分析結(jié)果近似。

（1）20.30m為為孔旁土巖起伏界面，該層為溶洞的頂板；22.30波形趨于正常，為溶洞的底板，該界面清晰；深度22.30m處為孔旁土巖起伏界面，下付地層波形形態(tài)穩(wěn)定一直，對照現(xiàn)場鉆孔柱狀圖分析均為微風化灰?guī)r

圖5 .波形反演分析圖

（2）在深度16.60-19.10m，方位角154°-221°處波形出現(xiàn)異常波動，經(jīng)過反演分析，該出為孔旁溶洞發(fā)育異常區(qū)域界面，疑似溶洞充填粉質(zhì)黏土性溶洞；在深度19.30-23.50m，方位角281°-302°范圍內(nèi)存在孔旁界面反射，疑似串珠狀溶洞。

3 結(jié)論

根據(jù)鉆孔地質(zhì)三維探測成像儀的工作原理和在溶洞發(fā)育地區(qū)的探測結(jié)果,本文分析了溶洞探測中的理論基礎和溶洞探測的結(jié)果。

在溶洞發(fā)育的區(qū)域中,鉆孔三維地質(zhì)探測儀可以清晰的分辨出鉆孔周邊溶洞的幾何形態(tài)和產(chǎn)狀，為后續(xù)樁基礎施工提供了巨大的安全性保障。其探測范圍為周圍5m范圍內(nèi)的溶洞，但是對于橫向發(fā)展超過5m的溶洞還存在一定的未知性[6]。