跨孔地震CT在城市軌道交通巖溶勘察中的應用

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體內部時其時長、波幅、能量、波速、波形等各因素的變化，對探測目標體進行速度成像的一種地下孔內物探方法，其具備了探測精度高、探測周期短、成本低等眾多特點，主要用于地下目標體的高精度探測。目前，跨孔地震CT法已經廣泛應用于灰巖地區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巖溶發育位置、深度及幾何分布特征和規模，并可以判別基巖埋深和起伏情況，為后續地鐵設計和施工提供必要地質依據。以廣東省廣州市某地鐵巖溶勘察項目為研究對象，利用跨孔地震CT詳細劃分出了探測區域土巖界面，圈定出了溶洞及溶蝕發育位置，選取異常位置進行鉆探驗證?？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。鉆探、物探成果起到了相互補充、互相驗證的效果。

關鍵詞：跨孔地震CT；鉆探驗證；對比分析；準確性；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展，地鐵線路不可避免地需要穿越各類不良地質及特殊巖土區域，特別是巖溶發育區域，由于其構造復雜、類型多樣、隱蔽性強等眾多特點（謝小榮等，2021；周官群，2021），在一些巖溶分布面積較廣的區域，容易導致突泥、塌陷等地質災害發生，會給地鐵設計和施工帶來極大安全隱患和風險（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鉆探，該方法成本造價高，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），方能詳細查明地鐵線路范圍內巖溶發育情況，因此通過選取有效合理的物探手段進一步探明地下巖溶發育程度、準確位置、規模變得尤為重要。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現高精度探測要求，跨孔地震CT作為一種新型物探手段，可以利用地下介質的天然波速差異，通過研究地震波在地下介質傳播規律，準確探測出巖溶區域溶蝕及溶洞發育情況，與傳統物探手段相比，其具備了抗干擾性強、精度高的優點，因此近年來被廣泛應用于地鐵巖溶勘察工作當中（李迎春，2020）。

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

1 ?工程概況

車站為地下二層島式站臺車站，全長760.9 m，車站小里程端設置有軌排基地。標準段寬為21.7 m，車站基坑開挖深度為18.26～19.80 m，設計地面標高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、粉質黏土（Q4mc）、沖洪積相粉質黏土、砂性土（Q3+4al+pl）及殘積粉質黏土（Qel），下伏基巖為石炭系下統大塘階石磴子段（C1ds）中微風化灰巖。

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

場地土層縱波波速小于1 400 m·s-1，溶蝕及溶洞發育區縱波速度為1 400～2 500 m·s-1，完整巖石（中微風化石灰巖）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。

2 ?研究方法

2.1 ?跨孔地震CT探測

1）鉆孔及測線布置

鉆孔沿車站圍護結構（連續墻）中心線布置，車站左右線兩側鉆孔按之字形布置，鉆孔間距控制在18 m左右（每幅連續墻長6 m，每3幅連續墻布置1孔），車站右線布置于連續墻中心處，車站左線布置于每幅連續墻端頭處，鉆孔深度按鉆探至圍護結構底以下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剖面按同側相鄰兩孔及對側相鄰兩孔進行布置（鄭江波，2019）?？缈椎卣餋T布設方案如圖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，弱風化巖面較清晰、連續，但起伏較大。該測區巖溶強烈發育，根據CT剖面成果，全區共推斷劃分19個溶洞，其中部分溶洞在不同CT剖面上均有反映，應為同一連通型溶洞，洞體規模較大；對獨立溶洞，依據其剖面橫向發育范圍在地表的投影，對連通溶洞在平面圖上進行合并圈閉，依據其最大的剖面橫向發育范圍在地表的投影，劃出其平面異常分布范圍?？紤]跨孔地震CT方法的體積效應，溶洞平面異常范圍在剖面左右各擴展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）洞異常結果如表1所示。

2.2 ?鉆探驗證

成果驗證方法采用鉆探手段，根據鉆孔揭露溶洞、溶蝕位置、規模及發育程度等巖溶特征，綜合評估物探成果的可靠性與準確率。綜合考慮，在左右線邊墻之間選擇4處剖面溶洞異常區，在每處異常區中間布置1孔進行驗證，驗證孔布設情況見表2，鉆孔平面位置見圖1。

本次實施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，鉆探驗證結果見表3。

3 ?結果與分析

3.1 ?探測成果分析

結合跨孔地震CT物探剖面圖（圖3），將鉆孔投影至對應位置，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、溶洞高度進行統計分析，依據統計結果繪制圖4。

由圖4可知：鉆探驗證孔與跨孔地震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；鉆探驗證孔與跨孔地震CT成果揭示溶（土）洞位置高差為0.3～0.8 m，溶（土）洞高度（規模）高差為0.1～2.7 m，均在探測精度要求范圍內；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際揭示成果吻合程度較高。

本次驗證結果表明，物探彈性波CT方法在車站巖溶勘察中應用效果較好。

3.2 ?誤差分析

跨孔地震CT驗證中產生的誤差分析如下：

1）跨孔地震CT法是根據地質體自身波速差異，解釋巖溶發育位置及大小，其會受到走時觀測誤差的影響，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行了轉化，這會帶來一定誤差，從而導致較小的高速地質體（較小的低速地質體）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），也會導致劃分出的基巖面（中微風化）具有平滑效果。

3）跨孔地震CT法在野外作業時，選取的接收點點距與發射點點距均為1 m，因此物探成果與驗證結果的基巖面或溶洞位置高程差在1m范圍內，屬于正常誤差。

4）對于土石界面附近低速區，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，搜集鄰近區域物性資料及地質資料，在得出各類解譯結果后，充分利用既有鉆孔資料及驗證資料，建立多種約束條件，逐一判斷排除，當條件有利能夠給出唯一解時，給出肯定推斷意見，當條件受限時，應給出所有可能解中的最優解。

4 ?結論

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

2）相比其他物探方法，跨孔地震CT法具有實施簡便、采集數據多、效率高、分辨率高等優點，最主要其可以通過連續準確探測相隔較遠的兩孔之間的地質情況，彌補常規鉆探和傳統地面物探受場地影響缺點，因此該物探方法在城市地鐵巖溶勘察領域有廣闊的應用前景。

3）受走時、空間轉換、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生誤差，解譯和處理數據人員需仔細研究誤差產生的機理和原因，充分研究既有物性資料、地質資料，建立約束條件，通過多次反演計算，在得出的眾多可能解中，準確定位最優解，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用［J］.城市地質，19（1）：114-120