跨孔地震層析成像在近海巖溶勘察中的應(yīng)用
巖溶隧道勘察難度大，施工風(fēng)險(xiǎn)極高，能否準(zhǔn)確地探測(cè)巖溶的分布特征直接關(guān)系到施工的成敗。地震波跨孔ＣＴ操作簡(jiǎn)便、分辨率高、準(zhǔn)確性好，但在海域還沒有工程先例。以大連某海域巖溶勘察為例，介紹了地震波跨孔ＣＴ層析成像的原理、工作方法及應(yīng)用效果，結(jié)果表明跨孔地震波ＣＴ 層析成像技術(shù)在海域巖溶勘察中具有較高的精度和可信度。
跨孔層析成像原理與實(shí)驗(yàn)設(shè)備
地震波跨孔層析成像（C T ) 是一種地下物探方法。該方法優(yōu)點(diǎn)在于分辨率高，對(duì)低速異常敏感，主要用于地下精細(xì)結(jié)構(gòu)的探測(cè)。
在實(shí)際操作中，一般采取一發(fā)多收扇形穿透的形式，一個(gè)孔內(nèi)放置高頻聲源（例如電火花震源）。另一個(gè)孔內(nèi)固定住一串檢波器（水聽器），通過(guò)震源向井下移動(dòng)并在每一處理想的深度位置逐點(diǎn)激發(fā)，釋放地震波。
通過(guò)對(duì)觀測(cè)到的彈性波各種震相的運(yùn)動(dòng)學(xué)(走時(shí)、射線路徑）和動(dòng)力學(xué)（波形、振幅、相位、頻率）資料的分析，進(jìn)而反演地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)、速度分布及其彈性參數(shù)等重要信息，其反演方法的使用前提是地下目的物與周圍的巖土體有明顯的波速差異。
項(xiàng)目場(chǎng)地與鉆孔布置
大連某大直徑盾構(gòu)跨海隧道工程，隧道主要穿過(guò)中風(fēng)化白云巖、中風(fēng)化板巖及輝綠巖脈，覆蓋層主要為黏性土。
跨海段盾構(gòu)區(qū)間全長(zhǎng)２８７０ｍ，其中灰?guī)r段長(zhǎng)度約１５００ｍ，巖溶現(xiàn)象非常發(fā)育，詳勘鉆孔共揭示溶洞１７２個(gè)，平均洞高２.３５ｍ，最大洞高１５ｍ，鉆孔見洞率高、發(fā)育形態(tài)復(fù)雜，基巖頂板埋深變化較大，因而僅用地質(zhì)鉆探的方法已無(wú)法詳細(xì)、準(zhǔn)確地查明巖溶的發(fā)育和分布情況。
按照沿隧道兩側(cè)外邊緣３ｍ，孔間距１１ｍ布置鉆孔，每４個(gè)鉆孔為一組測(cè)試孔，布置６條測(cè)線。鉆孔探測(cè)深度低于隧道底板以下５ｍ，在此深度范圍內(nèi)遇溶洞時(shí)，進(jìn)入溶洞底板以下５～１０ｍ，即孔深一般應(yīng)低于隧道底板１５～２０ｍ。
海洋環(huán)境下的施工與成孔要求
海洋環(huán)境下進(jìn)行地震波ＣＴ測(cè)試受干擾因素多，如潮汐、測(cè)試船只錨固、風(fēng)浪等。測(cè)試過(guò)程中測(cè)試船只應(yīng)穩(wěn)固，同時(shí)應(yīng)隨時(shí)監(jiān)測(cè)潮汐漲落，注意套管與船只關(guān)系，保護(hù)人員及儀器設(shè)備安全。強(qiáng)風(fēng)浪對(duì)原始數(shù)據(jù)采集有較大干擾，在強(qiáng)風(fēng)浪情況下應(yīng)暫停。
現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試鉆探成孔時(shí)應(yīng)盡量垂直，測(cè)試預(yù)計(jì)深度一般在隧道底板３～５ｍ，鉆孔深度應(yīng)大于預(yù)計(jì)測(cè)試深度，一般超過(guò)５ｍ左右，在此深度遇有溶洞應(yīng)穿過(guò)溶洞，成孔后應(yīng)保證孔壁的盡量光滑，孔底盡量干凈，避免對(duì)測(cè)試造成干擾。
在鉆孔時(shí)采用鋼管護(hù)壁，測(cè)試前應(yīng)下ＰＶＣ管，管徑比測(cè)試探頭大，以確保探頭好下，同時(shí)ＰＶＣ管之間應(yīng)用膠水粘好，同時(shí)用螺絲加固，確保在測(cè)試過(guò)程中不脫落，ＰＶＣ管材質(zhì)要好，避免在震源發(fā)射時(shí)炸裂，造成探頭埋住等事故。
測(cè)試成果及分析
下圖為可能塌陷區(qū)ＣＴ層析成像及地質(zhì)解釋圖，淺色為低速區(qū)，深色為高速區(qū)，可見一Ｖ字漏斗型溶蝕溝槽存在，地下工程在施工過(guò)程中，上覆覆蓋層受下部工程施工擾動(dòng)，水土極易失穩(wěn)沿溶蝕溝槽流失，形成地面塌陷，危害施工安全
下圖為特大溶洞的地震波ＣＴ層析映像圖，該溶洞可能造成盾構(gòu)失穩(wěn)、栽頭等重大施工事故。
本次巖溶勘察共發(fā)現(xiàn)大小溶洞６８９個(gè)，其中４５１個(gè)是通過(guò)跨孔ＣＴ測(cè)試分析出來(lái)的，最大洞高３０ｍ，在后期巖溶注漿處理及盾構(gòu)施工過(guò)程中，地震波ＣＴ層析成像解釋成果均得到較好的驗(yàn)證。
結(jié)論
工程實(shí)踐表明，在海域巖溶發(fā)育地區(qū)進(jìn)行巖溶專項(xiàng)勘察時(shí)，海水富含電解質(zhì)，更有利于電火花探頭的瞬間充分放電，采用跨孔地震波ＣＴ層析成像方法準(zhǔn)確而有效。同時(shí)需要注意的是，巖溶充填物一般為黏性土，其與水的波速差別不大，跨孔地震波ＣＴ層析成像不能識(shí)別巖溶充填情況。實(shí)際勘察中應(yīng)采用地質(zhì)鉆孔與跨孔ＣＴ相結(jié)合綜合分析。
跨孔地震層析成像設(shè)備推薦
德國(guó)Geotomographie出品的IPG跨孔層析成像系統(tǒng)，是目前業(yè)內(nèi)主流的0-400m深度工程跨孔地震層析成像系統(tǒng)。主要由IPG5000震源供能器，SBS42孔中P波震源及BHC5水聽器鏈組成，該系統(tǒng)在400m以淺范圍的充水孔內(nèi)實(shí)現(xiàn)跨孔層析成像探測(cè)。
其中，IPG5000脈沖發(fā)生器和SBS42孔中P波震源組成的震源系統(tǒng)，具有1.快速測(cè)量（每分鐘最快10次以上）；2.信號(hào)穩(wěn)定性（重復(fù)性）；3.安全性好；4.可操作深度較大（400m）等特點(diǎn)。而BHC5水聽器鏈，具有精度高，頻帶寬，可訂制參數(shù)，內(nèi)置合成信號(hào)測(cè)試等特點(diǎn)，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)有較好的接受度。
詳情請(qǐng)參照官網(wǎng)http://chunliangjiu.cn/
IPG5000脈沖發(fā)生器 SBS42孔中P波震源 BHC5水聽器鏈
