许广文 陈 军

（1、杭州萧山城市建设投资集团有限公司，浙江 杭州 310012 2、浙江省地矿勘察院有限公司，浙江 杭州 310012）

随着城市后进度的加快，对地下空间的利用日益增加，随之而来的地下空间安全问题越来越成为关注点。地下发育的岩溶对地下空间的开发会造成诸多安全隐患，例：施工过程中会引起溶洞塌方、渗漏水和等现象，对施工进度甚至施工人员的安全造成影响[1-2]。

近年来，弹性波CT 技术已经广泛应用于溶洞的探测，是地下空间开发利用的重要技术支撑。

例如，苗庆库等[3]利用CT 技术对京沪、铜九线等进行了岩溶探测，在岩溶勘察上取得了良好的应用效果；谈顺佳等[4]将钻探和CT 相结合，获得了佛山某地铁区域岩溶发育的分布规律；李卫卫等[5]对影响跨孔地震波初至CT 成像精度的3 个因素（孔间距、岩溶尺寸及水平间距）开展了正反演研究；赵庚亮等[6]采用钻芯和室内试验确定了地层及溶洞的物理力学参数,结合有限元软件Midas GTS 确定了溶洞与地铁车站、盾构隧道的安全距离，提出了岩溶区轨道交通溶洞处治范围及处治措施, 并研究了溶洞的处治效果。

1 工程概况

风情大道改建工程项目位于杭州市，风情大道主线工程位于现状风情大道地面道路，北起浙赣铁路代建段，南至现状湘湖隧道；风彩互通立交位于风情大道与彩虹大道交叉路口。根据地质勘察报告，本场地地下主要为覆盖型岩溶，对高架桥桩基施工会产生较大影响，本项目采用的钻孔弹性波CT 方法能够在施工前提前知晓溶洞的形态、规模和位置，并确切地划定出钻孔之间的断层破碎带区域和岩溶发育异常区域。技术路线图如图1 所示。

图1 技术路线图

2 弹性波CT 方法原理

弹性波CT 能够在不损坏物体的前提下，得到物体内部的物理参数分布、几何形态等信息。它通过扇形测试获得首波走时数据（ti），然后通过求解大型矩阵方程得到两孔之间速度剖面图像，根据速度剖面图像可以直更观准确地判定物体内部的大小分布。弹性波CT 还能通过接收炮点与检波点之间的地震波旅行时间，得到勘探区域的速度结构。在得知某种地震波的旅行时间的情况下还能求解出地下介质的速度场。地震波的旅行时间的计算公式可表示为：

其中，S(x,z)是指地下介质的慢度函数，dl 是指波的射线路径的微分，T 是指地震波从震源s 到检波点r 的走时。把（1）式离散后，可用如下的矩阵形式表示：

式中T 表示为所有炮点到检波点的旅行时矩阵，S是指地下介质的慢度矩阵，A 表示为与地震波传播射线路径有关的距离矩阵。

如图2 是地震CT 成像的工作示意图，其观测方式由两种：一是一孔激发，另外一孔多道接收，二是一孔激发多孔接收。

图2 弹性波CT 工作示意图

3 弹性波CT 资料处理

针对实际工程数据处理，得到的资料处理流程如图3。

图3 弹性波CT 资料处理流程

原始资料总体表现为：记录面貌良好，信噪比及分辨率较高，初至较清晰，连续性好，但岩溶发育区域会出现初至延迟及能量变弱不连续的现象。

3.1 初至拾取

数据处理中，初至的拾取至关重要，因为地震层析成像的方法，是根据初至时间，进一步反演地层速度，因此在初至拾取中，保证拾取的原则一致，如统一拾取初始起跳位置或者波峰位置，保证数据的一致性。

3.2 成像处理

成像处理是弹性波CT 资料处理的关键步骤，有利于准确的进行构造分析、地层层位的研究以及岩溶发育区的空间变化。

将多个钻孔联合，可以进行三维钻孔空间联合反演成像，并将三维速度体及钻孔、勘察孔、桩位等信息综合显示，部分三维速度体显示如图4 所示。

图4 地震CT 多孔联合成像三维数据体

4 弹性波CT 资料解释

基于弹性波CT 方法的原理特点，结合本工程的探测任务，分析得到本场区内溶洞和溶蚀裂隙属于地质异常体，根据前期的地勘报告可知，本区溶洞填充物大多为软塑～软可塑状黏性土或含碎石黏土，采用该介质填充的溶洞相对与围岩介质的波速较低，反演得到的波速剖面图中的低速体为探测异常，溶洞产生的低速异常与围岩存在波速上的差异。表1 对本区中的岩层，给出了常见岩土及岩体的波速数值。

表1 常见岩土波速表

当探测剖面之间有溶洞发育时，整体速度特征发生变化，表现为速度的降低，WT33 钻孔和钻孔WT34 在打钻过程中均发现溶洞异常，图5 为WT33～WT34 钻孔弹性波CT 剖面图。

图5 中可清晰直观的反应岩溶发育情况及范围，其中WT33 钻孔和WT34 钻孔均在基岩中揭露岩溶，对应弹性波CT 剖面中速度区域为800m/s～1500m/s。下部完整基岩地震波速度相对较高。

图5 钻孔WT33～WT34 弹性波CT 速度剖面

当岩性均匀分布且突变不明显时，应当为层状速度分布的波速图，即由浅部至深部，速度也由小到大递增，若剖面之间无岩溶发育，则基岩面分布规律较明显，且剖面中无明显溶洞发育的低速异常。

根据以上异常的范围及位置分析并结合实际岩石的速度，可大致确定本次弹性波CT 对地层解释的速度范围：岩溶发育区域地震波速度在800～1200m/s 之间，1200m/s-1500m/s 之间为岩溶附近溶蚀裂隙影响区，基岩面以下完整灰岩速度在3800m/s～5000m/s 之间，破碎带在基岩中的破碎程度，胶结物及其胶结程度是影响地震波在破碎带中传播速度的重要因素，但是地震波在破碎带中的传播速度是介于溶洞和完整基岩的，其速度范围为1500m/s～5000m/s，同时破碎带的判定需根据钻孔实际揭露及剖面间速度等值线的变化综合判定。

5 结论

本区探测范围内岩溶发育区地震波速度在800～1200m/s 之间，1200m/s～1500m/s 之间为岩溶附近溶蚀裂隙影响区，基岩面以下完整灰岩速度在3800m/s～5000m/s 之间。

本次探测结果中各剖面的溶洞异常已被钻孔揭露，尚存在未揭露部分可能是剖面之间的岩溶发育区或溶沟发育区，需通过打钻进一步验证其特性。