浅析隧道坍塌区地震CT探测研究

[摘要]在岩土工程勘察中，受各种条件的限制，物探地震CT常常应用于钻孔中，在其他领域应用较少，本文将详细介绍物探地震CT在隧道坍塌区应用，查明隧道工程地质情况，如岩土结构、断层、空洞、不密实区等地质结构缺陷，评价岩土结构的稳定性。

[关键字]物探 地震CT 隧道 坍塌区

[中图分类号] P315.62 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-5-129-2

1地震CT探测的基本原理

地震CT是工程物探的一种新的勘探方法，也称层析成像，是CT技术在地球物理领域应用的一个范例。它可以从地质体（结构）的外部测量数据准确、可靠地反演出地质体内部结构的直观图像，具有分辨率高、可靠性好、图像直观等特点，在工程勘探中是一种很有效的勘测方法。

地震CT工程病害诊断原理：地震CT的工作原理与医学CT类似，医学CT是利用X射线穿透人体，通过射线强度衰减的观测对人体组织成像。地震CT是利用地震波射线对地质体（结构）进行透视，通过地震波走时和能量衰减的观测对地质体（结构）成像。地震波穿透岩土介质时，其速度快慢与岩土介质的弹性模量、剪切模量、密度有关，密度大、强度高的岩石模量大，波速高，走时短，反之亦然。完整坚硬的岩体波速高，破碎岩体和松散的土体波速低。波速可作为岩土介质力学强度和缺陷评价的定量指标。孔隙度小的密实岩体地震波的能量衰减小，破碎的岩体和松散的土体能量衰减大。因而地震CT图像能可靠地反映各类岩土体的分布界线及破碎岩体的破碎程度和分布。地震波CT特别适用于研究工程介质力学强度的分布及内部结构缺陷，常被用来探查岩土结构、断层、空洞、不密实区等地质结构缺陷，评价岩土结构的稳定性。地震CT具有分辨率高、可靠性好、图像直观的特点，已被越来越广泛地应用于地质与工程勘查、质量检测和工程病害诊断中。

2仪器设备

地震CT探测法采用美国EG&G公司生产的RS-48道地震仪，道间距2m，国产CDJ-Z38型检波器，炸药震源。RS-48道地震仪主要性能指标以下：3位瞬时浮点放大器；18位A/D转换；126分贝动态范围；小于0.01%谐波失真；通带范围3-4000Hz；VGA液晶显示器；AT兼容软驱、硬盘数据存储；48道记录道数；采样率：10-2000μs；全数字化信号增强。

3地震CT观测系统的布置

地震CT观测系统的设计关系到CT结果的可靠性。要求观测系统满足两个条件，其一是保证个单元体都有足够多的地震射线穿过，通常是超过40条；第二是通过单元体的射线有足够大交角，称射线正交性。射线正交性大0.6的区域结果才是可靠的。

本次采用两个排列进行观测。第一排列在隧道内布置检波器接收，在地表激发，检波器与激发点在一个平面内。检波器间距与激发点间距都为2m；第二排列布置在山坡上，目的是改善射线的正交性。检波器布置在山坡上部，激发点布置在上波下部，检波器与激发点的位置与第一排列的激发点位相同。观测系统如下图所示。

第一排列为48道，检波距2m，检波器布置于洞内右侧，炮点位地表，平面位置和检波器位置相对应，炮点距2m。共放48炮，，激发点炸药埋深0.7～1.0m，使用防水乳化炸药，每炮药量100g。第一道里程为K40+740，第48道里程为K40+646。

第二排列24道，检波距2m，位置位于第一排列第25～48道地表位置，第1道里程为K40+692，第24道里程为K40+646，炮点位于第一排列第1道～第24道地表，第1炮里程为K40+740，24炮里程为K40+690。激发点炸药埋深0.7～1.0m，使用防水乳化炸药，每炮药量100g。

4 观测系统的合理性及完整性评价

观测系统的合理性及完整性是地震CT透视结果可靠性的基本保障。观测系统的合理性及完整性是通过地震波射线穿过观测区域内每个单元的射线密度和正交性来衡量的，射线密度和射线正交性是评价观测系统合理性及完整性的两个重要指标，也是地震CT方法自身评价其完备性及可靠性的有效手段。

实际工作中严格按照以上的技术要求对观测系统进行了认真的设计和布置。两条地震CT剖面主要研究区的射线密度均大于100，射线正交性大于0.87的面积也在90%（两条剖面的射线密度和射线正交性见图2、图3）。这说明本次地震CT探测观测系统的设计和布置是成功的，最后得到的成像结果是可靠的，分辨率可以达到理论数值，就是单元尺度的1/2即1m。

5 地震CT探测结果及地质解释

5.1 观测参数

对每个接收点和激发点都要进行测量，测量误差小于5cm。隧道内与山坡上的接收点和激发点，应在一个垂直剖面内。根据现场实测地震波形，判断各接收点的直达波到达时间（走时）。

5.2 地震CT成像

根据上述地震直达波走时，计算出各接收点的地震波速，应用国内最成熟的CT反演软件，进行计算叠代反演速度模型；根据反演得到的速度模型，以100m/s速度间隔进行色分，绘制波速影像图。

地震CT的探测结果主要是岩土介质的波速分布图，它表征介质力学强度的分布特征。为保证结果和解释的可靠性，CT结果中包含射线密度和射线正交性图像。

6探测结果与地质解释

由地震射线密度和射线正交性图像可知，观测系统是非常完备的，研究区内绝大部分区域的正交性都在0.9以上，射线密度超过40条，仅在隧道里端中部射线的密度和正交性稍差，该部位应避免做地质解释。

地震CT波速图像的特征表明，山体表面有一波速低于600m/s低速层，是松散堆积，坡上厚度6m左右，向下变薄， 强度很低， 稳定性很差， 雨季饱水后易产生滑塌； 松散侧下覆为强风化岩，波速1200-1400m/s，强度较低，后20-30m，强风化岩中间夹有一低速透镜体，波速在800-1000m/s，应该是全风化岩，强度略高于松散土，但低于强风化岩，也可能是由于隧道开挖支护不及时引起的松动区，极不稳定，应该注浆处理。在隧道里程720-670的50m内，存在1m宽的低速带，这是隧道衬砌与围岩之间有脱空，需要注浆处理。

7编后语

由于地震CT技术尚不成熟，本文中若存在错误和不足之处，望广大同仁批评并指正，在此非常感谢中科院赵永贵老师热心指导和云南航天的同仁的大力支持。