基于弹性波CT技术的三维模型在岩溶发育区的应用

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国土资源导刊

Land & Resources Herald2018年9月Sept., 2018

文章编号：1672-5603 ( 2018 ) 03-90-7

基于弹性波CT技术的三维模型

在岩涪发育区的应用

张琦'周杰，周天喜

(湖南省地球物理地球化学勘查院，湖南长沙410116)

摘要本文首先简要介绍了弹性波CT的二维剖面的建立和三维建模，然后用实例详细介绍了弹性波

CT工作的流程和测试分析，同时对典型CT剖面进行了解译，对比施工验证结果，表现出其分辨率和工

作效率高及空间位置准确等特点。最后建立三维地质模型，模拟桩基础下方的岩溶分布，展示了岩溶的空 间形态特征。三维模型的建立可较真实的表现岩溶发育的空间规律，在岩溶地区的施工和勘查中，合理的 布置弹性波CT工作，科学的构建三维模型，可有效的避免重复勘察。

关键词弹性波CT;三维建模；施工验证；桩基施工 中图分类号：P631.4

文献标识码：A

The Application of 3D Model Based on Elastic Wave CT(Computed

Tomography)Technology in Karst Development Area

Zhang Qi, Zhou Jie, ZhouTianxi

(Hunan Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, Changsha Hunan 410116)

Abstract: The article introduced establishment of two-dimensional profile of elastic wave CT and establishment of 3D model, then it introduced working process of elastic wave CT and test analysis by living example and interpreted classical CT profile, compared with construction test result and performed its features of high resolution ratio, high working efficiency and accurate space position. Finally, 3D geologic model was established, the karst distribution under simulated pile foundation displayed spacial morphological character of karst. The establishment of 3D model can perform spacial regularity of karst development, reasonable distribution to the working of elastic wave CT and scientific 3D model construction in construction and prospecting of karst areas can avoid repeat prospecting effectively.

Keywords: Elastic wave CT; 3D modelling; Construction identification; Pile foundation construction

〇引言

在我国岩溶地层分布广泛，岩溶地区[i]的 地基稳定性是建设桥桩基础的关键，弹性波CT 法作为一种新兴的物探方法在岩溶探测领域中 *

已经悄然兴起。本文应用实例对该方法在桥基 探测的有效性和实用性方面进行充分的验证。

弹性波 CT ( Computed Tomography )是地震 CT当中的一种，是地震成像的一种手段，是重 要的工程物探方法之一。这种技术利用大量的

*第一#者简介：麟，男，1984年生，地球物理勘查工程师，主要从事工程物胜产实践工作。E-mail: 233521251@qq.mm。

收稿日期：2018-06-04;改回日期：2018-07-28。

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激发孔

炮点

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接收孔

地震波信息进行专门的反演计算，测得岩土体 的弹性波速分布规律。本文首先以剖面“图像” 的形式反映岩溶的分布形态及连通性，然后数 据化弹性波CT剖面并结合钻探资料构建三维初 始模型，经过人机交互后修正完善模型，最后 运用最终构建的模型直观展示岩溶发育的空间 地跽仪

检波点

形态特征。

1方法原理及技术路线

1. 1二维剖面的建立

首先通过扇形测试获取大量的首波走时数据 (U，然后通过求解大型矩阵方程来获取两孔 之间速度剖面图像，根据速度剖面图像可以直观 准确地判定隐患大小分布，是目前最为有效最为 精确的测试方法之一。设在成像剖面内共测有N 条射线，首先根据测试精度将破面分为M个单 元（网格），以射线理论为基础的成像方法归 结为解如下方程：

rdndl2' ' '

dl„

V

d21

11

S1

=

’2

、《1…心,/Jm y

式中:dy是第i条射线在第j个单元内的路 径长度;是第j个单元的慢度值;ti是第i 条射线的走时值。

应用快速射线追踪技术和SIRT算法求解上 述方程，可以得到慢度值$的分布（即相应的 离散速度分布），从而实现孔间的速度场层析成像[2’3]。

弹性波CT法，其原理是在一个钻孔内激发 震源，另一钻孔接收弹性波，得到弹性波在两 孔间的传播速度。如图1所示，将震源定在孔口， 接收检波器串从孔口至孔底扫描一遍，然后把 震源下降一定的步距，接收检波器串再重复上

述工作，直到震源下到孔底为止。拾取仪器所 记录的从每一激发点至对应的每一接收点的地 震波走时，利用拾取的地震波走时数据，采用基 于惠更斯原理的网络追踪算法一最短路径射线 追踪法，进行反衍射线追踪；用最小二乘或分解 算法求解大型线性方程组，进行递归迭代反演,

图1跨孔弹性波CT工作示意图

Fig. 1 Working diagram of Trans-hole Elastic Wave CT

从而得到被探测区域的波速图像。1.2三维建模

隐式建模方法可以省去繁琐的人工操作过 程，通过计算机自动化完成建模过程，并且结 果也更加精确。通过协克立格估值来进行势场

域的插值，并将地质规则运用到了建模过程中。技术人员利用三维地质建模软件能够使用

DTM[4]、剖面、地质解释资料、钻孔等，并综合

考虑了构造地质的参数如倾角、倾向、走向、 枢纽、轴面等构建地质体的几何模型。专业技 术人员还能够根据其对地质情况的理解，加人 专业知识，编辑修改模型，直到模型相对合理，

建模工作流程详见图2。

2应用实例

2.1工程概况

曲江大道为广东省韶关市在建的市政道路，

江湾大桥是此道路的控制性工程，全长1027 m, 桥宽42 m，为一座矮塔斜拉桥。此桥跨越北江， 主墩位置有区域断裂通过，基岩岩溶十分发育， 桥桩设计多次变更，主桥墩设计桩长一般在70 米至100米间。场地地层从上而下为：冲积的粗砂、卵石、

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图2建模技术路线图Fig.2 Modeling technology roadmap

石炭系的中风化石灰岩（局部区域发育角砾岩）。 指导施工。下伏的石灰岩岩溶极为发育，超前地质钻探发 2.2测试工作现主桥墩的钻孔见溶率为100%，单体溶洞垂直

钻孔布设于墩台基础四周，弹性波CT剖面

高度一般0.2 ~ 9.2 m,平均为1.91 m;串珠状 线布置成矩形和交叉状（见图3)。物探勘探孔 溶洞高度一般为3.1〜17.5 m,平均为10.87 m。 布置工作遵循尽量用较少的钻孔数量，使得较 场地位于北江江面的临时栈桥上，由于下临北 多的CT剖面完全覆盖29个设计粧位的原则。 江且江水所呈现的低阻特征对地表电流、电磁 为保证弹性波CT信号接收稳定，提高采集数据 波等起屏蔽作用，因此无法采用高密度电法、 地质雷达法等常规方法对场地的岩溶发育[5]情 况做判断。基于此，选取钻孔弹性CT法查明主 墩身位及下方岩溶的发育情况，从而优化设计，

质量，弹性波CT剖面所使用的钻孔间距一般小 于25 m。基于以上两点，主墩布置CT收发孔 14个（编号ZK16-1〜ZK16-14)，利用14个 收发孔可完成28对弹性波CT探测，实现29个

图3江湾大桥主墩跨孔弹性波CT布置图

Fig.3 CT placement of cross-hole elastic wave of main pier of Jiangwan bridge

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设计桩位的全覆盖，极 大地减少了钻探工作。2.3测试成果分析

本次探测工作，共 布置28对弹性波CT剖 面，其中16#桩基位并 未布置物探勘察孔，在 施工中16#桩基钻进至 标高7.95 m，钻孔深度 49.5 m，孔内突然出现 漏浆、垮塌情况。16#桩基位于钻孔ZK16-4 与ZK16-3连线上，可 通过分析ZK16-4与

Vp (m/s)

-^-xroiowco-^-^oicjio) ocnooiooiooiooio

图例 Legend

\\^\\ 推测填土 Speculated filling soil

推测卵石 Speculated pebbles

Y7)\\ 推测粉质粘土 Speculated silty clay

推测中风化石灰岩 Speculated medium-weathered limestone

|Q*/1

岩体破碎、溶蚀裂隙发育带 The development zone of broken, karstic & fissure rock

|Q| 推测岩溶发育带 Speculated karst development zone

陰 | 推测角砾岩发育带 Speculated breccia development zone

| 16J| 设计桩基础中心线（投影）Design pile foundation centerline (projection)

o〇o〇o〇o〇o〇o〇o〇o〇

o o o

ZK16-3的弹性波CT综 合断面图（图4),获 取16#桥墩的地层分 布信息。分析认为，

图4 16#桩基础钻孔柱状图及弹性波CT综合断面图

Fig.4 Bar drawing of bored holes on 16# pile Foundation and synthetic sectional diagram of elastic

wave CT

ZK16-4与ZK16-3间的覆盖层（粗砂、卵石） 的纵波波速一般为1500 ~ 2800 m/s,中风化石

溶蚀裂隙发育带等丰富的地质信息。2.4三维建模

灰岩波速一般大于3400 m/s,溶洞内介质传播 2.4.1数据准备 波速与所填充物质不同有所差异，但一般小于 ⑴钻孔数据3400 m/S。根据波速与溶洞发育带和完整岩体

建模前需要对钻孔数据[6]进行预处理，处

的关系，可以推测16#粧基位在标尚6.98 m处 理完后的钻孔数据分为二个文件Usv格式）： 发育溶洞且主要填充物为砾石，与施工中塌孔 第一个文件记录的是钻孔的空间坐标及深度见 处标高(7_95 m)极为吻合。

通过类比分析，其他27对弹性波速度剖面 解译成果与钻探资料及施工现场揭露的地质信 息吻合程度较高，表明弹性波CT法可较好的探 明岩溶发育程度、范围、埋深及形态特征，除 此之外还可获取如覆盖层界面、完整基岩分布、

iHoleID,ZK16-1ZK16-1

表1，第二个文件记录钻孔的地质信息见表2。

(2)剖面数据

表2地层数据表

Table 2 stratigraphic data table'FROM*

03.713.918.7519.319.8524.751.753.7

‘TO’3.713.918.7519.319.8524.751.753.762.1

4 LITHOLOGYJ

LayerOLayerOlLayerlLayer2Layer42Layer5Layer42Layer5Layer42

表1开孔数据表

Table 1 Open data table

…

4X555387.0655329.2455346.53

...

35251.5135235.9135247.76

…

‘Z，57.4557.4557.45—

‘Depth,127.07125.45126.43…

ZK16-1ZK16-1ZK16-1ZK16-1ZK16-1ZK16-1ZK16-1

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12345678910111213141516171819202122232425

2 INTERFACES

INTERFACE XX LowerCover5 POINTS

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739.622070312500 -6735.0483398437504367.076171875000 -6243.1899414062507330.989746093750 -5761.54687500000010389.594726562500 -5233.44238281250013338.178710937500 -4771.350585937500

5 ASSOCIATEDORIENTATIONS

739.622070312500 -6735.048339843750 315.000000005876 7.721829136458 1 LowerCover13338.178710937500 -4771.350585937500 315.000000005876 8.906749434929 1 LowerCover4367.076171875000 -6243.189941406250 315.000000005876 8.401471443333 1 LowerCover7330.989*746093*750 -5*761.5468*75000000 315.0000000058*76 9.51*7800813548 1 LowerCover10389.594726562500 -5233.442382812500 315.000000005876 9.360193640651 1 LowerCover

INTERFACE XX MiddleCover6 POINTS

1685.975952148438 272.5147705078133555.984375000000 -1218.43786^2109385476.533691406250 -2380.8754882812507472.894042968750 -3518.0429687500009064.927734375000 -4250.88378906250010731.222656250000 -4858.291503906250

0 ASSOCIATEDORIENTATIONS0 FOLIATIONS

圑5剖面数据Fig.5 Profile data

u、 本次建模的区域有28个剖面数据；本次剖 有5个产状点，再下面是是产状点的坐标（面数据主要是data文件格式见图5:

(2 INTERFACES)

V)倾向和倾角。后面的数字1代表polarity; 1 面的LowerCover代表地质填图单位。如果没有

-1 代表 Reverse ( Overturn )。后 首个数字应该代表导入 代表 Normal;

的地层填图的种类；interfaces代表生成的意思； 紧接着是表明要生成的地层分界线(INTERFACE

XXLowerCover),生成的地层分界线有几个点

所以首行应该是先声明生成多少个地层，然后 产状点的话就是0 asaociateorientation;最后以0

FOLIATIONS 结尾。2.4.2建模流程

(1)创建填图单位并定义地层序列 创建地层并定义地层序列（要不同的地层用 不同的颜色来表示），整合接触的地层归并到

(上图是有五个点组成的地层分界线），再下 面是这5个地层分界点的坐标，如果有地层的 产状，在下面标识。5associatedorietations 表;5K

Hoi eC odeXTZDepth

1234567891011121314

ZK16-1ZK16-10ZK16-11ZK16-12ZK16-13ZK16-14ZK16-2ZK16-3ZK16-4ZK16-5ZK16-6ZK16-7ZK16-SZK16-9

55387.0655329.2455346 5355327 4955344.7155325.5555372 3355381.3555366.7455387.7755358 5555350.IS55331.04553 i3. 43

35251.5135235.9135247. 7635240 6635252.6935245. 8435246 4435267 4435260.735259. 935249 2935237 9235230. 4735242. 81

57.4557.4557. 4557. 4557.4557.4557.6257. 4557.4557.4557.6257. 4557.4557.62

127.07125. iS126. 43125.73126.7125.8S127. 1126. 14126.8127.27126. 33126.912S. 35126. 1

图6导入钻孔数据Fig*6 Import borehole data

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同一地层序列中，并定义地层序列之间的接触 规则体现在柱状图中。

(2)导入钻孔数据

导入了钻孔数据后就可以从二维和三维的角度 来查看钻孔上的一些特征。钻孔分布和所在位 置的髙度（图6)、还有钻孔上的颜色，有的钻 地层。证明有的钻孔上只有一个地层，而有的

出露的地层需要首先找到哪些钴孔上有 过这些钴孔的剖面（剖面线的轨迹可以是曲线）， 再将钻孔投影到二维的剖面图中，最后在剖面 的接触点和产状点数据。

(5)计算模型

当全部的额数据导入到模型中后，就可以选 完模型以后，当钻孔数据与剖面等其他数据矛

3

盾时，以钴孔数据为主。因为钻孔数 据拥有更髙的可靠 性。同时，将钻孔 数据投影到剖面上 后，修正剖面上的 不一致性数据。

以实测和收集 该区域本次物探勘 査的钻孔柱状图、 弹性波CT解译成 果等数据为主，辅

关系（Onlap和Erod)，生成地层柱状图。地质 这些不露出地层的信息，然后划定经

导入钻孔数据，使钻孔在三维立方体中显示。 图中根据钻孔的分层信息添加这些不出露地层

孔只有一个颜色，有的有许多颜色，颜色代表 择一部分数据或者全部数据来建立模型[7],建立

钻孔上有多个地层。

(3) 创建剖面 导入或绘制剖面(图7)，为后面导 入剖面数据做准备。

(4) 导入剖面数据 在剖面图中导入相对应的剖面数据 和添加相对应的产状 点见图8。接触点数 据用来说明空间中 地质界面的分布，产 状点数据用来说明空 假中地质界面的变 换规律。出露的地 层可以直接在地形 表面添加接触点数

图8剖面数据和产状点数据

以超前水平钻勘查成果，建立数据仓库，采 用动态、分级建立模型的技术，选择地层精

细程度，在麵参数设置后，自动建立模型， 加以人机交互修改完善，使之与实际地质情 况相吻合。

图9为江湾大桥主墩岩溶发育分布三维 成果图，根据岩溶主要发育区域按标髙和空 间形态、位置等关系，岩溶发育区划分为三 个主要发育层位：

标髙10 ~ -20 m,岩溶发育呈不规则形 态，主要分布在勘查区的东西两侧，中部弱 发育，其中西部岩溶发育强度、规模和深度 强于东部。

标髙-20 ~ -40 m，岩溶发育呈现不规 则和部分连续发育特征，主要位于勘查区的 东部和中部，西部弱发育，东部和中部溶洞 或串珠状溶洞连通性较好，岩溶发育埋深呈 东“浅”西“深”趋势。

据和产状数据，不 Fig.8 Profile data and production point data

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图9江湾大桥主墩岩溶发育分布三维成果图Fig.9 3D data map of karst development and distribution in main

Pier of Jiangwan bridge

标高_4〇 ~ -50 m，岩溶发育深度较大，主 要分布于勘查区的中部，岩溶埋深较大。

3结论

工程实践表明，弹性波CT法可精确查明基

岩面的埋深、形态起伏、溶洞分布形态及溶蚀 裂隙发育范围。通过钻探结果的验证，有较好 的吻合性，在项目实施和设计中，可作为优化 设计和指导施工的依据。通过弹性波CT剖面构 建的三维模型，能更加形象生动、宏观的认识 岩溶发育的整体形态，利于信息化施工。弹性 波CT法克服了工程钻探中“以点带面”的不足, 采用钻探与弹性波CT相结合的方法，可避免重 复勘察，同时科学的布置弹性波CT剖面，可大 量的减少钻探工作量，从而降低工程造价。参考文献/References

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