钻孔地质三维探测成像仪在溶洞探测中的研究与应用

石学录 徐明江 宋 兵

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引言

碳酸盐类岩被水的溶解作用，是岩溶区溶洞等其他岩溶构造形成的主要成因。天然物理状态下，溶蚀过程涉及到方方面面各种复杂的物理化学过程，包括物质微粒的扩散运动[2]。

在区域地质构造活动中，断裂、褶皱、节理等构造类型与成因也千差万别，不同的成因具有不同的作用机制，导致岩石受力状态不同，加上岩石本身特性的不同，使得岩石具有不同的破碎程度。因此，地质构造对溶洞等复杂岩溶区域地质的形成起着至关重要的作用。此外，地下水作用对溶洞的发育方向、规模与大小都有着重要的影响，不同的溶蚀方向与强度，造成了溶洞几何形态和产状的千差万别。

1 成像原理

1.1 仪器概况

钻孔地质三维探测成像仪利用钻孔进行钻孔大功率弹性波、超声波成像技术，以超磁或压电发射震源向钻孔周围360°空间发射并接收四个方向的声波信号，从而扫描整个钻孔周围径1～5米范围围岩的地质情况，生成四个方向的声波探测影像图。声波探测影像图可以计算分析钻孔周围岩体四个方向的有害地质体的距离、形状，确定平面体积和钻孔的夹角。

仪器配备高频率37K超声波以及低频高能量3k声呐发射装置相结合，远近搭配，高低频搭配，并配置先进的方向定位装置，每一道波形都有地理方向性，创新效果及实用性能更进一步。利用一个钻孔即可探测出问题部位的方位、深度与距离，因此此三维立体探测成像仪器，对前期地质勘探帮助效果明显。

在我国基础设施建设中，桩基础工程勘察钟钻孔周围有害地质体的探测主要探测内容有断裂带探测、溶洞探测、软弱岩层探测和地层分层等探测，并可以判定有害地质体位于钻孔的哪一方向：为工程勘察提高精度、节约费用，提高效益。

1.2 弹性波层析成像技术

依据弹性波理论，弹性波可分为体波和面波。体波主要包括横波和纵波，在无限或半空间中传播。面波主要包括横波（剪切波）、纵波（压缩波）等，在无限或半空间中传播。面波包括瑞利波、斯通莱波、勒夫波等，仅在波阻抗差异界面附近传播。在液体填充的孔内及孔壁上，广义的瑞利波沿孔的轴向传播，称作管波（Tube waves）。常见的管波有两种类型：斯通莱波和准瑞利波（或称伪瑞利波）。

钻孔地质三维探测成像仪反演中使用是纵波和斯通莱波，利用钻孔进行钻孔大功率弹性波、超声波成像。基于完整灰岩与岩溶(包括充填物)、溶蚀裂隙及上覆土层之间、岩溶与地下水存在明显的弹性纵波波速差异（波阻抗差异），从而探测与寻找波阻抗界面，进而确定地下空洞的规模和分布（图2成像原理图）。

图1 成像原理图

简单而言，就是利用弹性波的传播特性，以射线法求解复杂介质的弹性波场。对弹性波方程(1)可得(2)所示的近似解。

其中，其中c为介质中的波速，r为震源至波面的法线距离，A为振幅，为波在空间中传播的相位。由于波前面上每一点在同一时刻处于相同的相位,故通过讨论波前的形状及运动情况就可描述波在介质中的传播过程,就得到一个具有纯粹几何特征的波面。

在层析成像实际应用中,针对探测目标及其背景介质情况,选择合适探测源与发射频率，也是结果是否真实可靠的关键。

2 工程实例

2.1 场区基础地质条件

工作场区区域大地构造位置位于华南准地台(一级单位)湘桂赣粤褶皱带(二级单位)中的粤中坳褶皱束(三级单位)之东端，三水断凹盆地(四级单位)。

在地质历史上曾经历过多次构造运动，其中华力西--印支运动使晚古生代发生过渡性褶皱，伴随断裂构造，构造线以北东向为主，次为东西向，而燕山运动规模最大，活动最强烈，对区域构造格局的形成影响较为深远。新生代以来，本区的构造活动呈现由西北向东南逐渐增强的趋势，喜山运动以来以差异性断块运动和断裂的继承活动为主，并伴随基性偏碱性岩浆的喷溢活动。伴随着剧烈的地质构造活动，该区域受地下水的长期溶蚀，在灰岩表面及灰岩体中形成溶洞及洼陷，使得后续基础施工存在巨大的隐患[5]。

2.2 现场测试

在该项目中，我们选取了溶洞发育的钻孔进行具体分析。其中图2为钻孔柱状图与图3原始波形；柱状图揭露在20.40m进入岩面，并且钻孔中存在1.70m的全充填溶洞。

经过原始波形数据反演可以得到波形数据深度、横向分布范围（图4）。在深度20.30m处为粉质黏土与微分化岩块的分界面，波形界面清晰；其中，中风化岩块的厚度大约为0.4m；在中风化岩块与粉质黏土的波形也存在明显的界面。在20.30m与22.30为半充填溶洞，在波形上面有明确显示[6]。

图3 ．钻孔柱状图

图4 .原始波形

此外，对该孔位反演的波形数据进行具体分析，其现场钻孔数据溶洞范围位置与数据分析结果近似。

（1）20.30m为为孔旁土岩起伏界面，该层为溶洞的顶板；22.30波形趋于正常，为溶洞的底板，该界面清晰；深度22.30m处为孔旁土岩起伏界面，下付地层波形形态稳定一直，对照现场钻孔柱状图分析均为微风化灰岩

图5 .波形反演分析图

（2）在深度16.60-19.10m，方位角154°-221°处波形出现异常波动，经过反演分析，该出为孔旁溶洞发育异常区域界面，疑似溶洞充填粉质黏土性溶洞；在深度19.30-23.50m，方位角281°-302°范围内存在孔旁界面反射，疑似串珠状溶洞。

3 结论

根据钻孔地质三维探测成像仪的工作原理和在溶洞发育地区的探测结果,本文分析了溶洞探测中的理论基础和溶洞探测的结果。

在溶洞发育的区域中,钻孔三维地质探测仪可以清晰的分辨出钻孔周边溶洞的几何形态和产状，为后续桩基础施工提供了巨大的安全性保障。其探测范围为周围5m范围内的溶洞，但是对于横向发展超过5m的溶洞还存在一定的未知性[6]。