摘 要：跨孔地震CT（亦稱為地震層析成像）是通過分析地震波在穿越探測目標(biāo)體內(nèi)部時(shí)其時(shí)長、波幅、能量、波速、波形等各因素的變化，對探測目標(biāo)體進(jìn)行速度成像的一種地下孔內(nèi)物探方法，其具備了探測精度高、探測周期短、成本低等眾多特點(diǎn)，主要用于地下目標(biāo)體的高精度探測。目前，跨孔地震CT法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于灰?guī)r地區(qū)城市軌道交通綜合勘察，利用該方法可以有效查明線路范圍內(nèi)巖溶發(fā)育位置、深度及幾何分布特征和規(guī)模，并可以判別基巖埋深和起伏情況，為后續(xù)地鐵設(shè)計(jì)和施工提供必要地質(zhì)依據(jù)。以廣東省廣州市某地鐵巖溶勘察項(xiàng)目為研究對象，利用跨孔地震CT詳細(xì)劃分出了探測區(qū)域土巖界面，圈定出了溶洞及溶蝕發(fā)育位置，選取異常位置進(jìn)行鉆探驗(yàn)證?？缈椎卣餋T成果揭示，巖面和溶洞位置與鉆探成果吻合程度高，巖面高程及溶（土）洞位置高程最大誤差均在1 m之內(nèi)。鉆探、物探成果起到了相互補(bǔ)充、互相驗(yàn)證的效果。

關(guān)鍵詞：跨孔地震CT；鉆探驗(yàn)證；對比分析；準(zhǔn)確性；誤差分析；城市軌道交通

Application of cross hole seismic CT in karst exploration of urban rail transit

LIU Jie

（China Railway Sixth Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Tianjin 300000， China）

Abstract： Cross hole seismic CT （also known as seismic tomography） is an underground geophysical exploration method that analyzes the changes in the duration， amplitude， energy， velocity， waveform， and other factors of seismic waves passing through the interior of the detection target， and performs velocity imaging on the detection target. It has many characteristics such as high detection accuracy， short detection period， and low cost， and is mainly used for high-precision detection of underground target. At present， the cross hole seismic CT method has been widely used in the comprehensive survey of urban rail transit in limestone areas. This method can effectively identify the location， depth， geometric distribution characteristics and scale of karst development within the line range， and can also distinguish the depth and undulation of bedrock， providing necessary geological basis for subsequent subway design and construction. Taking a karst exploration of a subway project in Guangzhou， Guangdong Province as the research object， a cross hole seismic CT was used to divide the detection area into soil rock interfaces in detail， delineate the locations of karst caves and dissolution development， select abnormal locations for drilling verification， and obtain cross hole seismic CT results that reveal a high degree of consistency between the rock surface and karst cave positions and the drilling results. The maximum error in the elevation of the rock surface and karst （soil） cave positions is within 1 meter. The results of drilling and geophysical exploration have played a complementary and mutually validating role.

Keywords： Cross hole seismic CT; drilling verification; comparative analysis; accuracy; error analysis; urban rail transit

隨著城市軌道交通的迅猛發(fā)展，地鐵線路不可避免地需要穿越各類不良地質(zhì)及特殊巖土區(qū)域，特別是巖溶發(fā)育區(qū)域，由于其構(gòu)造復(fù)雜、類型多樣、隱蔽性強(qiáng)等眾多特點(diǎn)（謝小榮等，2021；周官群，2021），在一些巖溶分布面積較廣的區(qū)域，容易導(dǎo)致突泥、塌陷等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，會給地鐵設(shè)計(jì)和施工帶來極大安全隱患和風(fēng)險(xiǎn)（李耐賓等，2019；史曉忠，2018；李志，2023）。在城市軌道巖溶勘察中最常用的方法為常規(guī)鉆探，該方法成本造價(jià)高，且在城市中受場地條件、管線等因素影響，完成率難以保證，故需要輔以適宜的物探手段（萬小樂，2022；楊永龍等，2021；鄒子龍，2020），方能詳細(xì)查明地鐵線路范圍內(nèi)巖溶發(fā)育情況，因此通過選取有效合理的物探手段進(jìn)一步探明地下巖溶發(fā)育程度、準(zhǔn)確位置、規(guī)模變得尤為重要。我國在巖溶探查方面常用的物探手段有大地電磁法、高密度電法、地震反射法等（張午陽等，2021；路金波，2021；李開朗等，2023；丁肇偉等，2023），但是由于受到城市場地條件及干擾源等方面影響，該類型物探手段難以實(shí)現(xiàn)高精度探測要求，跨孔地震CT作為一種新型物探手段，可以利用地下介質(zhì)的天然波速差異，通過研究地震波在地下介質(zhì)傳播規(guī)律，準(zhǔn)確探測出巖溶區(qū)域溶蝕及溶洞發(fā)育情況，與傳統(tǒng)物探手段相比，其具備了抗干擾性強(qiáng)、精度高的優(yōu)點(diǎn)，因此近年來被廣泛應(yīng)用于地鐵巖溶勘察工作當(dāng)中（李迎春，2020）。

由于跨孔地震CT成果分析存在著數(shù)據(jù)多解性問題，通過該方法取得成果會產(chǎn)生一定誤差，這就需要通過有效的驗(yàn)證方法去評估物探成果的準(zhǔn)確性，同時(shí)根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行不斷的復(fù)解和修正，使其能更加客觀、真實(shí)地反映出巖溶發(fā)育情況（陳禎平，2019）。本文以廣州市某地鐵車站巖溶勘察項(xiàng)目為例，利用跨孔地震CT詳細(xì)劃分出了探測區(qū)域土巖界面，并圈定出了溶洞及溶蝕發(fā)育位置，選取異常位置進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，分析了跨孔地震CT結(jié)果的可靠性、準(zhǔn)確性。

1 ?工程概況

車站為地下二層島式站臺車站，全長760.9 m，車站小里程端設(shè)置有軌排基地。標(biāo)準(zhǔn)段寬為21.7 m，車站基坑開挖深度為18.26～19.80 m，設(shè)計(jì)地面標(biāo)高6.9 m。車站位于珠江三角洲沖洪積平原地貌單元，覆蓋層主要為人工填土層（Q4ml）、海陸交互相淤泥、砂土、粉質(zhì)黏土（Q4mc）、沖洪積相粉質(zhì)黏土、砂性土（Q3+4al+pl）及殘積粉質(zhì)黏土（Qel），下伏基巖為石炭系下統(tǒng)大塘階石磴子段（C1ds）中微風(fēng)化灰?guī)r。

場地巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，溶洞多為半充填或無充填，少部分為全充填狀態(tài)，充填物多為軟塑粉質(zhì)黏土或粉質(zhì)黏土夾砂、夾灰?guī)r碎屑等，較松軟，溶洞中往往地下水較豐富。溶洞主要發(fā)育于淺層巖層，深部巖層溶洞發(fā)育較少，平面位置上發(fā)育隨機(jī)性較大。

場地土層縱波波速小于1 400 m·s-1，溶蝕及溶洞發(fā)育區(qū)縱波速度為1 400～2 500 m·s-1，完整巖石（中微風(fēng)化石灰?guī)r）的縱波速度大于2 500 m·s-1，顯著的波速差異為跨孔地震CT的開展提供了較好的物性基礎(chǔ)。

2 ?研究方法

2.1 ?跨孔地震CT探測

1）鉆孔及測線布置

鉆孔沿車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)（連續(xù)墻）中心線布置，車站左右線兩側(cè)鉆孔按之字形布置，鉆孔間距控制在18 m左右（每幅連續(xù)墻長6 m，每3幅連續(xù)墻布置1孔），車站右線布置于連續(xù)墻中心處，車站左線布置于每幅連續(xù)墻端頭處，鉆孔深度按鉆探至圍護(hù)結(jié)構(gòu)底以下5 m考慮，如遇到溶洞，需鉆穿溶洞至溶洞底板下3 m完整巖；跨孔地震CT剖面按同側(cè)相鄰兩孔及對側(cè)相鄰兩孔進(jìn)行布置（鄭江波，2019）?？缈椎卣餋T布設(shè)方案如圖1所示。

2）跨孔地震CT探測成果

本站共完成21條跨孔地震CT剖面（CT對共37對）。從跨孔地震CT剖面成果圖上看（圖2），地層層狀特征較為明顯，弱風(fēng)化巖面較清晰、連續(xù)，但起伏較大。該測區(qū)巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，根據(jù)CT剖面成果，全區(qū)共推斷劃分19個(gè)溶洞，其中部分溶洞在不同CT剖面上均有反映，應(yīng)為同一連通型溶洞，洞體規(guī)模較大；對獨(dú)立溶洞，依據(jù)其剖面橫向發(fā)育范圍在地表的投影，對連通溶洞在平面圖上進(jìn)行合并圈閉，依據(jù)其最大的剖面橫向發(fā)育范圍在地表的投影，劃出其平面異常分布范圍。考慮跨孔地震CT方法的體積效應(yīng)，溶洞平面異常范圍在剖面左右各擴(kuò)展1.5 m。探測成果平面圖如圖1所示，探測成果縱斷面圖如圖2所示，推斷溶（土）洞異常結(jié)果如表1所示。

2.2 ?鉆探驗(yàn)證

成果驗(yàn)證方法采用鉆探手段，根據(jù)鉆孔揭露溶洞、溶蝕位置、規(guī)模及發(fā)育程度等巖溶特征，綜合評估物探成果的可靠性與準(zhǔn)確率。綜合考慮，在左右線邊墻之間選擇4處剖面溶洞異常區(qū)，在每處異常區(qū)中間布置1孔進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證孔布設(shè)情況見表2，鉆孔平面位置見圖1。

本次實(shí)施4孔其中有3孔揭露有溶洞，其中1孔揭露串珠狀溶洞（CTYZ-02），揭露基巖面高程為-10.4～-14.7 m，揭露溶洞洞高為1.9～5.9 m，鉆探驗(yàn)證結(jié)果見表3。

3 ?結(jié)果與分析

3.1 ?探測成果分析

結(jié)合跨孔地震CT物探剖面圖（圖3），將鉆孔投影至對應(yīng)位置，分別對物探成果及鉆探成果處基巖埋深、溶洞洞頂高程、洞底高程、溶洞高度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，依據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果繪制圖4。

由圖4可知：鉆探驗(yàn)證孔與跨孔地震CT成果揭示基巖面高差為0.1～0.6 m，在探測精度要求范圍內(nèi)；鉆探驗(yàn)證孔與跨孔地震CT成果揭示溶（土）洞位置高差為0.3～0.8 m，溶（土）洞高度（規(guī)模）高差為0.1～2.7 m，均在探測精度要求范圍內(nèi)；通過上述對比分析，通過跨孔地震CT方法劃分出的基巖面與鉆探結(jié)果基本一致，跨孔地震CT成果劃分（圈定）出的溶洞高程和大小與鉆探孔實(shí)際揭示成果吻合程度較高。

本次驗(yàn)證結(jié)果表明，物探彈性波CT方法在車站巖溶勘察中應(yīng)用效果較好。

3.2 ?誤差分析

跨孔地震CT驗(yàn)證中產(chǎn)生的誤差分析如下：

1）跨孔地震CT法是根據(jù)地質(zhì)體自身波速差異，解釋巖溶發(fā)育位置及大小，其會受到走時(shí)觀測誤差的影響，一般情況會給探測成果帶來一定誤差。

2）跨孔地震CT法將三維空間按二維空間進(jìn)行了轉(zhuǎn)化，這會帶來一定誤差，從而導(dǎo)致較小的高速地質(zhì)體（較小的低速地質(zhì)體）未被解譯出，會忽略土層中零星分布的體積較小的巖石（基巖中零星分布的體積較小的溶洞），也會導(dǎo)致劃分出的基巖面（中微風(fēng)化）具有平滑效果。

3）跨孔地震CT法在野外作業(yè)時(shí)，選取的接收點(diǎn)點(diǎn)距與發(fā)射點(diǎn)點(diǎn)距均為1 m，因此物探成果與驗(yàn)證結(jié)果的基巖面或溶洞位置高程差在1m范圍內(nèi)，屬于正常誤差。

4）對于土石界面附近低速區(qū)，跨孔地震CT一般定義為溶蝕凹槽或土洞，但由于溶槽與上覆土層波速差異較小，該處解譯一般會存在誤差，會把巖面附近偏軟土層定義為溶蝕凹槽或土洞。

5）針對物探方法多解性，需從布置工作開始，搜集鄰近區(qū)域物性資料及地質(zhì)資料，在得出各類解譯結(jié)果后，充分利用既有鉆孔資料及驗(yàn)證資料，建立多種約束條件，逐一判斷排除，當(dāng)條件有利能夠給出唯一解時(shí)，給出肯定推斷意見，當(dāng)條件受限時(shí)，應(yīng)給出所有可能解中的最優(yōu)解。

4 ?結(jié)論

1）本次跨孔地震CT成果揭示巖面與溶洞位置與鉆探驗(yàn)證成果吻合程度高，基巖面高程及溶（土）洞位置高程最大誤差均在1 m之內(nèi)，滿足地鐵巖溶物探精度要求，鉆探、物探成果起到了相互補(bǔ)充、互相驗(yàn)證的效果，成果準(zhǔn)確可靠，可作為城市地鐵后續(xù)設(shè)計(jì)、施工及注漿處理依據(jù)。

2）相比其他物探方法，跨孔地震CT法具有實(shí)施簡便、采集數(shù)據(jù)多、效率高、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，最主要其可以通過連續(xù)準(zhǔn)確探測相隔較遠(yuǎn)的兩孔之間的地質(zhì)情況，彌補(bǔ)常規(guī)鉆探和傳統(tǒng)地面物探受場地影響缺點(diǎn)，因此該物探方法在城市地鐵巖溶勘察領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

3）受走時(shí)、空間轉(zhuǎn)換、探測間距、多解性等因素影響，跨孔地震CT法在探測過程中不可避免會產(chǎn)生誤差，解譯和處理數(shù)據(jù)人員需仔細(xì)研究誤差產(chǎn)生的機(jī)理和原因，充分研究既有物性資料、地質(zhì)資料，建立約束條件，通過多次反演計(jì)算，在得出的眾多可能解中，準(zhǔn)確定位最優(yōu)解，以保證跨孔地震CT法精度。

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收稿日期：2023-10-07；修回日期：2023-12-07

作者簡介：劉杰（1990- ），男，碩士，工程師，主要從事地質(zhì)工程工作。E-mail：1060300232@qq.com

引用格式：劉杰，2024.跨孔地震CT在城市軌道交通巖溶勘察中的應(yīng)用［J］.城市地質(zhì)，19（1）：114-120