关于岩土孔间CT在工程勘察及岩土治理检测中运用科技

论文导读：
摘要：孔间CT分为电磁波孔间CT和地震波孔间CT通过钻孔间各岩土层对电磁波吸收率的不同及地震传波速度的不同，可查明钻孔间的岩溶裂隙、溶洞、采空、土体扰动带及断裂破碎带的分布位置及状态。近年来在工程勘察及岩土治理效果检测等方面得到广泛应用。
关键词：电磁波CT；地震波CT；岩溶；采空；裂隙带

随着城市建设的发展，岩溶区、采空区、土体扰动带等地区的工程勘察逐渐增多。浅层地震、电法等物探方法得到广泛应用，但由于场地精度所限一些物探方法具有一定的局限。近年来孔间CT以其操作简单、精度较高等特点，在地灾勘察及岩土治理效果检测等方面得到广泛应用，并取得了较好的效果。

一、方法原理

目前孔间CT按其原理可分为电磁波CT和地震波CT。
1）电磁波CT
电磁波CT法是利用无线电波（工作频率0.5~32MHz）在两个钻孔中分别发射和接收，根据不同位置上接收的场强的大小，来确定地下不同介质分布的一种地下地球物理勘查方法，也称井中无线电波法，是目前被广泛使用于工程地质和金属矿勘查等领域。
当电磁波通过不同的地下介质(如各种不同的岩石、矿体及采空区、溶洞、破碎带等)传播时，由于不同介质对电磁波的吸收(β)存在差异，如地质界线、溶洞、破碎带等的吸收系数(βs )比其围岩的吸收系数(βo )要大得多，因此在地质界线、溶洞、破碎带的背后的场强也就小得多，从而呈现负异常，我们就是利用这一差异推断目标地质体的结构和形状。
2）地震波CT（井间地震层析成像）
层析成像的基本原理是利用物体外部边界某种物理观测数据,依据一定的物理定律和数学关系进行反演计算,以得到物体内部与观测场相关的物理参数分布, 并以图像形式表现出来。采用基于Huygens原理的网络追踪算法—最短路径射线追踪算法作为本次层析成像反演计算的射线追踪算法。若取得无穷多的连续投影值(地震波观测值), 则反演的解是唯一的。
地震层析技术利用地震射线穿透地层内部,其走时及振幅的观测值与地层内部的某些物理参数(速度、衰减特性)存在线积分关系,例如,地震波的走时是地震射线沿所经区域慢度s(速度v的倒数)的线积分,而振幅比是地震射线沿所经区域衰减函数的线积分。测定地震波走时或振幅变化反演地层内部三维速度结构或衰减特性,并以图像表示,就是地震层析成像。
二、实例：

1、孔间电磁波CT在岩溶勘察中的应用

唐山某工地通过电磁波法CT,查明有关剖面岩溶的分布情况。电磁波CT法勘查剖面内主要围岩为灰岩，基岩深度为74.5m，孔深100m，由于钻孔沉渣堵塞泥浆沉淀等原因,实际钻孔测量深度均为93m。
剖面基本呈NWW-SEE方向,西侧钻孔为ZK2,东侧钻孔为ZK1。
本次测量选用工作频率为12~24MHz，从测量的电磁波CT资料来看：强风化视吸收系数βs在4.2~5.2dB/m之间，中风化灰岩在2.8～4.2dB/m之间,微风化对电磁波吸收微弱，在2.8～1.2dB/m之间。溶洞在4.2~4.5 dB/m之间。地表覆盖层较厚,钻孔上部有钢套管屏蔽,电磁波CT无法测量。
本次数据经处理后成果见图1（图1 ZK2～ZK1剖面电磁波CT法成果图），图中的纵坐标为钻孔深度，单位为m。
剖面按照视吸收系数的差异，可分成三层：
第一层（深度75.0~78.0m，见剖面解释中玫瑰红状区域）为强风化带，电磁波异常明显，吸收强烈，视吸收系数βs大于

4.2dB/m。

第二层（深度78.0-84.0m，见剖面解释中斜杠区域），为中风化带，电磁波异常较弱，吸收次之，视吸收系数βs在

2.8～4.2dB/m之间。

第三层（深度84.0~92.0m，见剖面解释中兰色灰岩区域），为微风化带，电磁波异常最弱，吸收最小，视吸收系数βs小于2.8dB/m。
在右侧zk1孔可见到一处溶洞异常，视吸收系数βs在4.2~4.5dB/m之间，相对幅值较大，深度在79.5~80.2m，约0.7m大小，且向剖面左侧延伸约0.9m，规模不大。
从图1的处理结果分析，剖面左侧（ZK2）岩石层位风化较为强烈，风化带在剖面内向右侧斜上方延展；右侧ZK1见到溶洞，但溶洞的下部未见到强吸收异常，推断为微风化。剖面物性反应与钻探资料基本一致。
图1ZK2~ZK1剖面论文导读：
电磁波CT法勘查成果图
通过钻孔电磁波CT勘查结果（见图1）表明：
（1）剖面内依照物探勘查结果分为三层：强风化带、中风化带和微风化带。
（2） 在中风化带内见到溶洞异常，深度在79.5~80.2m，向剖面内延伸约0.9m。
（3）在剖面内电磁波CT法勘探效果是清晰明显的，分带界线清楚。

2、地震波CT（井间地震层析成像）在断层在破碎带勘察中的应用

唐山某地通过井间地震层析成像（地震波CT）查明场地井控范围内是否存在破碎带、断裂带等，若存在,查明其分布及埋深范围。
2对跨孔CT的测试结果见图2-图3。
图

2、D23-D24井CT剖面图（剖面1）图

3、D17-D16井CT剖面图（剖面2）

分析结果： 1、在所得的层析成像剖面1中，发现1处狭长的低速异常带，深度范围在70-96米之间，预测继续向下延伸，该狭长低速异常的浅部距D23井8米左右，水平宽约5米，深部距D23井4米左右，水平宽约3米，低速异常是存在局部破碎带、裂隙、空洞的反映。在剖面2中，没有发现明显的低速或高速异常，从剖面上看地层速度渐变情况良好，判断在井间CT方法可探测范围内，地层基本稳定，没有可识别的代表裂隙发育、岩体破碎、断裂或者局部空洞的低速异常区。
2、从两对剖面中可以看出，本区地层速度较低，没有发现基岩面, 岩体破碎、裂隙发育、局部有空洞的地层纵波速度在1000米/秒—2000米/秒，上部土层最低纵波速度在1000米/秒—600米/秒左右。
3、应用井间CT技术，根据弹性波走时计算的地层平均速度，可以从物探2维剖面角度观察到井对之间的地层纵横向延伸发育情况，同时还用钻孔岩心分析情况和物探测试结果进行了对比验证，验证物探测试成果的准确性。在低速异常区解释时，我们从岩心编录上也看到了对应地层的变化，验证了解释结果的可靠性。
4、总体来说，本次工作应用井间地震层析成像技术探测井间地下构造，重建了钻孔之间的结构图像，直观地勾画出井间地层空间分布和延伸状况，为上层工程施工或者地质调查评价提供了可靠的依据。

三、注意事项

1）由于目前发射能量所限，测试孔间距一般在20-30米，不宜过大。
2）电磁波CT测试孔不能用金属套管（有屏蔽作用），应选用PVC套管，钻孔中最好有水。
3）目前只能查明探测剖面上的异常状态，对异常尚不能三维全面的反映。
相信随着孔间CT技术的不断发展，其应用领域会不断扩大，功能不断完善。参考文献：
《铁路工程物探规范》TB10013-2010
《地下电磁波层析成像作业指导书》
[3]《工程物探手册》中源于：毕业设计论文总结www.7ctime.com
国水利水电出版社