跨孔地震层析成像在近海岩溶勘察中的应用

岩溶隧道勘察难度大，施工风险极高，能否准确地探测岩溶的分布特征直接关系到施工的成败。地震波跨孔ＣＴ操作简便、分辨率高、准确性好，但在海域还没有工程先例。以大连某海域岩溶勘察为例，介绍了地震波跨孔ＣＴ层析成像的原理、工作方法及应用效果，结果表明跨孔地震波ＣＴ 层析成像技术在海域岩溶勘察中具有较高的精度和可信度。

跨孔层析成像原理与实验设备

地震波跨孔层析成像（C T ) 是一种地下物探方法。该方法优点在于分辨率高，对低速异常敏感，主要用于地下精细结构的探测。

在实际操作中，一般采取一发多收扇形穿透的形式，一个孔内放置高频声源（例如电火花震源）。另一个孔内固定住一串检波器（水听器），通过震源向井下移动并在每一处理想的深度位置逐点激发，释放地震波。

通过对观测到的弹性波各种震相的运动学(走时、射线路径）和动力学（波形、振幅、相位、频率）资料的分析，进而反演地下介质的结构、速度分布及其弹性参数等重要信息，其反演方法的使用前提是地下目的物与周围的岩土体有明显的波速差异。

项目场地与钻孔布置

大连某大直径盾构跨海隧道工程，隧道主要穿过中风化白云岩、中风化板岩及辉绿岩脉，覆盖层主要为黏性土。

跨海段盾构区间全长２８７０ｍ，其中灰岩段长度约１５００ｍ，岩溶现象非常发育，详勘钻孔共揭示溶洞１７２个，平均洞高２.３５ｍ，最大洞高１５ｍ，钻孔见洞率高、发育形态复杂，基岩顶板埋深变化较大，因而仅用地质钻探的方法已无法详细、准确地查明岩溶的发育和分布情况。

按照沿隧道两侧外边缘３ｍ，孔间距１１ｍ布置钻孔，每４个钻孔为一组测试孔，布置６条测线。钻孔探测深度低于隧道底板以下５ｍ，在此深度范围内遇溶洞时，进入溶洞底板以下５～１０ｍ，即孔深一般应低于隧道底板１５～２０ｍ。

海洋环境下的施工与成孔要求

海洋环境下进行地震波ＣＴ测试受干扰因素多，如潮汐、测试船只锚固、风浪等。测试过程中测试船只应稳固，同时应随时监测潮汐涨落，注意套管与船只关系，保护人员及仪器设备安全。强风浪对原始数据采集有较大干扰，在强风浪情况下应暂停。

现场测试钻探成孔时应尽量垂直，测试预计深度一般在隧道底板３～５ｍ，钻孔深度应大于预计测试深度，一般超过５ｍ左右，在此深度遇有溶洞应穿过溶洞，成孔后应保证孔壁的尽量光滑，孔底尽量干净，避免对测试造成干扰。

在钻孔时采用钢管护壁，测试前应下ＰＶＣ管，管径比测试探头大，以确保探头好下，同时ＰＶＣ管之间应用胶水粘好，同时用螺丝加固，确保在测试过程中不脱落，ＰＶＣ管材质要好，避免在震源发射时炸裂，造成探头埋住等事故。

测试成果及分析

下图为可能塌陷区ＣＴ层析成像及地质解释图，浅色为低速区，深色为高速区，可见一Ｖ字漏斗型溶蚀沟槽存在，地下工程在施工过程中，上覆覆盖层受下部工程施工扰动，水土极易失稳沿溶蚀沟槽流失，形成地面塌陷，危害施工安全

下图为特大溶洞的地震波ＣＴ层析映像图，该溶洞可能造成盾构失稳、栽头等重大施工事故。

本次岩溶勘察共发现大小溶洞６８９个，其中４５１个是通过跨孔ＣＴ测试分析出来的，最大洞高３０ｍ，在后期岩溶注浆处理及盾构施工过程中，地震波ＣＴ层析成像解释成果均得到较好的验证。

结论

工程实践表明，在海域岩溶发育地区进行岩溶专项勘察时，海水富含电解质，更有利于电火花探头的瞬间充分放电，采用跨孔地震波ＣＴ层析成像方法准确而有效。同时需要注意的是，岩溶充填物一般为黏性土，其与水的波速差别不大，跨孔地震波ＣＴ层析成像不能识别岩溶充填情况。实际勘察中应采用地质钻孔与跨孔ＣＴ相结合综合分析。

跨孔地震层析成像设备推荐

德国Geotomographie出品的IPG跨孔层析成像系统，是目前业内主流的0-400m深度工程跨孔地震层析成像系统。主要由IPG5000震源供能器，SBS42孔中P波震源及BHC5水听器链组成，该系统在400m以浅范围的充水孔内实现跨孔层析成像探测。 

其中，IPG5000脉冲发生器和SBS42孔中P波震源组成的震源系统，具有1.快速测量（每分钟最快10次以上）；2.信号稳定性（重复性）；3.安全性好；4.可操作深度较大（400m）等特点。而BHC5水听器链，具有精度高，频带宽，可订制参数，内置合成信号测试等特点，近年来在国内有较好的接受度。

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IPG5000脉冲发生器                                                                     SBS42孔中P波震源                                                        BHC5水听器链