崔竹剛

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300308)

引言

在巖溶發(fā)育地區(qū)進行高速鐵路工程的勘察設(shè)計工作，需要直面的一大難題就是對巖溶發(fā)育程度及空間賦存形態(tài)的探查工作。巖溶發(fā)育不僅對基礎(chǔ)的承載力產(chǎn)生巨大影響，同時會直接決定巖溶空腔的填充處理設(shè)計方案和工程投資。由于巖溶發(fā)育具有不規(guī)律性，傳統(tǒng)的鉆探勘察方法僅為單點之見，難以有效查明鉆孔之間的整體巖溶空間分布狀態(tài)。而跨孔的地震波CT物探技術(shù)則可以有效彌補鉆探工作在巖溶勘察中存在的不足，為分析巖溶在勘察區(qū)域的整體發(fā)育情況提供重要參考。

已有許多學者開展相關(guān)研究，吳茂林等對地震波CT技術(shù)的發(fā)展歷程進行梳理，認為CT技術(shù)在近幾十年取得了長足發(fā)展[1]；段寶平等對井間地震技術(shù)的研究現(xiàn)狀進行了詳細分析[2-4]；張平松等對地震波CT技術(shù)在礦井物探工作中的應(yīng)用進行總結(jié)，得出了該方法在礦井工程中應(yīng)用的適用性[5]；許韜對地震波CT探測技術(shù)的精度影響因素進行分析，認為其主要受射線角度、密度、波長及反演方法等影響[6]；王猛等將地震波CT技術(shù)應(yīng)用于明十三陵的文物檢測工作中，并取得了良好的效果[7]；黃鑫磊采用井間井地聯(lián)合CT成像技術(shù)對南京市某地區(qū)的路面塌陷進行了探測，成功獲取了該區(qū)的塌陷特征[8]；扈本娜將彈性波CT技術(shù)應(yīng)用在某水庫大壩壩基的檢測中[9]；吳平等將鉆孔CT技術(shù)應(yīng)用于某大壩的溢洪道底部溶洞的穩(wěn)定性分析評價中，并結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)，成功完成了相關(guān)分析評價工作[10]；趙武陽依托南京某工程巖溶探測項目，采用跨孔地震波層析成像技術(shù)，經(jīng)過后期反演成像，最終證明了該方法在巖溶探測工作中適用性[11]。

綜上所述，地震波CT技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展和研究，在理論技術(shù)上已逐漸成熟。該技術(shù)具有解譯方法清晰、成像精度高、外界干擾因素少等優(yōu)點，并具有廣泛的適用性。

1 地震波CT技術(shù)工作基本原理

跨孔地震波CT層析成像技術(shù)通過測試鉆孔間巖體波速并反演其速度分布，經(jīng)計算機重建鉆孔間的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以可靠地反映出孔間的地質(zhì)情況[13]。在現(xiàn)場操作過程中，主要通過某個鉆孔來激發(fā)地震波，利用其余鉆孔的檢波器來接收地震直達波，最后通過疊加成像原理來獲取被探測體的物理性質(zhì)和空間分布特征[14-15]。

彈性波在不同傳播介質(zhì)中傳播時，會發(fā)生透射、反射或者吸收現(xiàn)象，這會導致相同震源的地震波穿過不同介質(zhì)后的波速圖像各不相同。作為工程建造基礎(chǔ)的巖土體，由于成因和后續(xù)漫長地質(zhì)歷史時期的改造變化，其特性、節(jié)理裂隙的發(fā)育程度及巖溶發(fā)育區(qū)域的溶洞賦存狀態(tài)和填充程度等均存在較大差異。探測用的彈性波在致密完整的巖體中傳播時，波的吸收和衰減現(xiàn)象不明顯，且波的傳播速度較快；而在節(jié)理裂隙發(fā)育、巖溶空洞發(fā)育且結(jié)構(gòu)疏松、風化嚴重的巖土體中傳播時，會造成較大的吸收和衰減現(xiàn)象，波速值會明顯降低。

跨孔的地震波CT探測技術(shù)正是基于上述原理，當?shù)卣鸩ㄍㄟ^致密的灰?guī)r區(qū)域時，波速變化不明顯；而當通過巖溶發(fā)育且填充不良的區(qū)域時，波速衰減現(xiàn)象非常嚴重。因此，通過采用適宜的算法進行重建，可以得到跨孔區(qū)域之間巖土體的波速CT圖像。根據(jù)圖像和不同物性對波速的反映規(guī)律，可以間接判斷出跨孔之間巖土體的特征和巖溶的發(fā)育規(guī)模，探測系統(tǒng)布設(shè)示意見圖1。

圖1 地震波CT技術(shù)探測系統(tǒng)布設(shè)示意

2 工程實例

2.1 工程基本概況

滬昆高速鐵路工程是我國規(guī)劃的“四縱四橫”快速客運網(wǎng)骨架之一，本次開展跨孔地震波CT物探工作的是滬昆高鐵韶河特大橋，橋中心里程為DK61+339.36，全長1 330.36 m，橋址區(qū)地處丘間洼地及剝蝕丘陵區(qū)，地形起伏較大。勘察深度范圍內(nèi)所揭露的地層自上而下為第四系全新統(tǒng)堆積層、第四系全新統(tǒng)沖洪積層及第四系上更新統(tǒng)坡洪積層石炭系上中統(tǒng)灰?guī)r，泥盆系上統(tǒng)灰?guī)r、炭質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r。

2.2 勘察基本概況

該橋定測階段共完成7個鉆孔原6～9號墩，未明顯揭露巖溶，初步判斷為巖溶弱發(fā)育區(qū)。補定測階段該區(qū)域共完成29個鉆孔，共計1347.66 m，經(jīng)過進一步的詳細勘察，該區(qū)域巖溶強烈發(fā)育，地層情況極其復雜。原設(shè)計7號墩線溶率為11%～83%，遇洞率為75%，溶洞洞徑為0.4～38.69 m，洞頂高程為40.58～30.58 m，洞底高程為38.98～57.59 m，鉆探揭示的溶洞多為無充填及半充填狀態(tài)。

進一步分析發(fā)現(xiàn)，該7號墩臺處巖溶極其發(fā)育，嚴重影響原設(shè)計方案的可行性。為了進一步查明該墩臺處巖溶的空間分布，經(jīng)研討，決定開展地震波CT物探工作，對該區(qū)域地層結(jié)構(gòu)及巖溶發(fā)育情況進行綜合研究。

2.3 地震波CT技術(shù)的應(yīng)用情況

采用StrataView R24型淺層地震儀1臺、XW5512A型電火花震源1臺、CH3型高靈敏度12道聲波探頭2套，每個接收探頭均采用20倍集成運算放大器實現(xiàn)阻抗匹配、抑制道間串擾。

在使用地震波CT技術(shù)進行勘探時，首先應(yīng)對墩臺的四角樁位進行鉆孔勘探，并做好傳感器和信號線的選擇、埋設(shè)、保護及鉆孔封閉等工作節(jié)。然后進行地震波CT檢測，在發(fā)射孔按1.0 m間距設(shè)置激發(fā)點，在接收孔按1.0 m間距設(shè)置接收點，收點進行接收，共計完成了兩條地震波CT剖面，見圖2。

該工程橋梁墩臺形狀為長方形，尺寸為16 m×11 m，樁間距為4.0 m。為準確地查明墩臺下方的溶洞發(fā)育情況，需要一個合理、經(jīng)濟的地震波CT布置方案。在該橋7號墩共布置10根樁基，孔深為70 m，逐樁鉆探；然后結(jié)合采用地震波CT技術(shù)的綜合勘探方法，共計完成3條地震波CT剖面，減少鉆孔布置至4個，鉆孔、樁位及CT透視平面布置示意見圖2。

圖2 工程7號墩勘探孔及地震波CT孔位布置

后期結(jié)合鉆探成果及管波探測成果對最終的跨孔地震波CT探測成果進行解譯，管波探測成果及地質(zhì)柱狀圖見圖3。

圖3 鉆孔柱狀圖及管波解譯成果

由圖3可知，該物探技術(shù)可以很好地反映該區(qū)域巖溶的發(fā)育情況。規(guī)模在1 m以上的巖溶裂隙發(fā)育帶或大型溶腔發(fā)育區(qū)，均可在解譯成果中得到清晰地體現(xiàn)。同時對地震波CT的解譯成果與在解譯范圍內(nèi)鉆孔資料進行了進一步的復解工作，大部分波速異常區(qū)域均能在鉆孔資料中得到驗證。

地震波CT的解譯原則為：先對鉆探資料及波速影像圖進行充分的綜合分析、對比，確定各類巖土層的波速范圍及特征；然后根據(jù)綜合分析、對比確定的巖土層波速范圍和特征進行巖土層分類；再根據(jù)巖土層分類對波速影像進行地質(zhì)解釋。

最終進行剖面的繪制工作，可以將跨鉆孔測試的地震波CT波速的最終成像圖結(jié)合鉆探成果進行綜合判釋，繪制出指導性的地層剖面，為勘察區(qū)巖溶發(fā)育程度的分析及后期巖溶處理、橋梁樁基設(shè)計提供重要參考，跨鉆孔地震波CT測試解譯地質(zhì)剖面見圖4、圖5。

圖4 10-ZD-04814-5～10-ZD-04814-6地質(zhì)剖面

圖5 10-ZD-04814-3～10-ZD-04814-4地質(zhì)剖面

2.4 地震波CT技術(shù)運用情況結(jié)果分析

由圖4、圖5可知，通過結(jié)合鉆探及地震波CT探測技術(shù)相關(guān)成果，較完整地反映了該墩臺處地層及巖溶發(fā)育情況。對跨孔地震波CT解譯成果與鉆孔管波物探及鉆探成果進行綜合分析，最終探測的巖溶結(jié)果符合率達到75%以上。研究表明，通過地震波CT技術(shù)，基本探明了溶洞在該墩臺水平和垂直方向的發(fā)育情況，減少了重復的財力和物力消耗，節(jié)省了鉆探費用。研究結(jié)果表明，該墩址區(qū)存在巖溶古溶槽，開工前及時進行了孔跨優(yōu)化調(diào)整，進而避開古溶槽。設(shè)計方案調(diào)整的合理性在后期施工中得到了進一步驗證，最終確保該工程的順利進行。

3 結(jié)論

(1)通過總結(jié)研究地震波CT技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用情況，認為地震波CT技術(shù)在理論研究方面已經(jīng)較為成熟，可以較好反映所探測體的波速反應(yīng)特征。

(2)將地震波CT技術(shù)嘗試應(yīng)用于滬昆高速鐵路橋梁工程的樁基勘察中，很好地揭示了工程場址區(qū)的巖溶發(fā)育程度及溶腔、溶孔等的賦存情況，解譯的精度可達到1 m左右。

(3)結(jié)合本工程7號墩臺的地震波CT和鉆探勘察成果，綜合分析研判該墩臺處存在較大的古巖溶槽。經(jīng)過慎重的研判，設(shè)計方案進行了針對性地孔跨調(diào)整，最終成功避開了該處重大不良地質(zhì)體。

(4)被探測巖土體邊界條件較為復雜，這就導致了其解譯結(jié)果的多解性。后期需要結(jié)合鉆探成果進行二次或多次復解，才能使物探成果更接近實際情況。同時需及時建立不同巖土體類型條件下的解譯標準，以進一步提高解譯的精度和效率。