19(25) : 18-23Lin Song, Wang Wei, Jin Cong, cl al. Application and discussion of seismic CT in detailed karst detecOon： a case of Shenzhen metre lino 14
% J&. Science Technology and Engineering, 2019 , 19(25) : 18-23地震CT在岩溶精细探测中的应用与探讨
——以深圳地铁14号线为例林 松心 王 薇n 金 聪2邓小虎2刘振明3(中国地震局地震研究所,地震预警湖北省重点实验室1 ,武汉地震工程研究院有限公司2,武汉,430071 ；铁道第三勘察设计院集团有限公司3 ,天津,300251)摘要因场地条件限制和干扰因素较多，地震反射、电法等地球物理探测手段在城市岩溶探测中很难实施。利用地震波CT
(computerized tomography)层析成像技术对深圳地铁14号线进行岩溶精细探测，将获取的井间地震波初至走时进行反演，并对
数据处理与分析 研究，最获取地下介质内部波速结构，并以此判断岩溶发育状态。实验结果表｝:地震CT层析成像技较好查明基岩面起伏形态， 以小于1 m的分辨率精细探测地下岩溶发育规模，其探测结果与钻孔资料高度吻合。该方法的成功引入为城市轨道交通岩溶探测提供了可行性方案 其探测成果可作为重大工程建设可靠的地质参考依据,具有较好的科学意义和推广价值。关键词地球物理 地震CT 岩溶探测 地铁中图法分类号P315； 文献标志码A岩溶是灰岩地区一种典型的不良地质现 象%1］，其育规模、埋、空间延 态将影响工 程建设进度，
地球物理 ，
场地
受场地限
，应结合具体工程地 地制宜)城市岩
f由于对施工人员和设备的安全造成。由于
其他干 的存在，常规地面隐患。 ， 大工程建设中， 岩 育态显得尤 的存在,灰岩大,岩地球物理 难取得理想效果，井间地震CT( compuieeozed iomog eaphy) 技 术 由 于 场 地限制， 大工程建设中引 多学者 )薛龙等%12&对CT反演算法进行了 理论研究，将多个模型与反演计算结果进行对比， 了CT技术的可靠性；卢松等%13］用地震CT对铁
地区基岩面高程在横向和纵向
发育状态也千奇百怪，常规钻探虽 观，但由
于数量的局限性， 整地 地下地 岩育具体规模 分 ， 本高、噪声大。为快 效 工程建设中地基基础
路路基病害注浆效果进 测;毛 进等% 14］7岩溶埋深、具位置 育规模，在场地宽阔、受 干 小地区的岩 中，高密度电法%2!4&、地 法%2&、探地雷达法%8!10&
设备的
挥了 作用地震CT探测引起坝基渗漏的复杂岩溶问题；
牛建军等%15&在岩 育区进行地震CT试验；刘振
%16］将地震CT与地震映像法进行对比研用； 地物理理论基础的不断发展
新，地物理
探究；艾鑫等%17&用CT重建技术进 损检测， 得较好效果)尽 学者们对地震CT工作进行了大量的研究工作， 际应用中其分始
多 ，且进 向高、精、尖方向发展。近年来，利用地球
物理 合地质工程勘察%11 ］得好效果，由于每种方法 其 点和局限性，
2019年1月31日收到
理想。而大工程建设中，地基基是 的 点 ， 规的，的岩 分
国家自然科学基金(41572354)和岩溶探测 分 般为3~5m，很难达到满岩溶精细探测要求。中国铁路设计集团有限公司科技 课题(721867)资助圳地铁14号 岩
的地 初
例，采用地震第一作者简介:林 松(1983—)，男，硕士，工程师)研究方向：地震
地质及工程地震)E-mail ：ls6102212@163. om)#通信作者简介:王 薇(1985—)，女，硕士，工程师)研究方向：工
CT对潜水面较高的灰岩地区进行岩溶精细探测，进行反演，将高分辨程地质及岩土工程)E-mail: smimvivib821 @ 163. com。率反演速度结构图与钻孔资料进行地质解译)25期林 松，等:地震CT在岩溶精细探测中的应用与探讨——以深圳地铁14号线为例191地质背景与地球物理条件1 1地质背景据
钻孔资料揭露，深圳市城市 交通14号工程
所经地区的地 分为:①第四系全新统人工 、冲洪 、第系坡 、残;②第三系白云坑组含砾砂岩、侏罗系角岩、石
炭系测水 砂岩、泥 砂岩、碎屑灰岩、灰岩、砂岩、含砾砂岩、石炭系石磴子组灰岩及下古生 混合岩、燕 期花岗岩、构造岩。1.2地球物理条钻孔资料 ：深圳地铁线路
位置的覆土、砂，下伏基岩为碎屑灰岩或灰
岩,岩 育,而洞内部固态 物一般 f土，部分溶洞无固态 物。表1 据钻孔纵波测试结果， ：土砂 据成分及密实程度的 纵 度 应有所 ，一般度 为2 000 m/s以下;完整碎屑灰岩或灰岩纵
「速一般在4 000 m/s以上；岩石破碎（
育）或育 应降低，
育的纵波速度一般在2 500〜4 500 m/s之间；岩
育区（ 水）的纵 度一般在1 500〜2 800 m/s之间； ，基岩与溶洞、 间存 的弹度 。 ，圳地 水面较高，地下水位一般为3〜5 m，给地震CT提供了绝佳的耦合， 圳地铁14号线开展地震CT具备良好的地球物理 。表1主要地层纵波平均速度Table 1 P-wavr averagr velocity in main strata地层平纵 度/(m--1 )土砂层<2 000灰岩或完整碎屑灰岩>4 000溶蚀裂隙发育2 500 ~4 500岩溶发育区（充水）1 500 〜2 8002地震CT层析成像技术2.1基本原理地震CT层析
是基于
理论的工程物探方法，根据 理，从 到检收点的 路径是 最少的， ，通最佳路径的 ％⑶。 孔测试过程中 形测试 每 的地震初 （图1 ）、 路径 度 的阵方程来 孔之间的剖面速度结构图像，其基本方程式（1）中： ＜ 为第8 第/个 的路径长度；S= ! 1 /＞为第/个 的慢度；＞ 为第/个
的纵 ；1为第8 的旅 面的 数;9 面网格数量。 阵方程进反演， 面度结构图像中 据速度 准判断岩溶、破碎、完整基岩的整体分
，从而对岩
育 进 ，达到精细探测的目的。反演过程中，采用 运生等%18& 的“椭圆约束”方法来 最佳路径 ，其理 理是:将激发点与接收点作为椭圆的两个焦点，并将椭圆长
:作衡 ， 路径上的任 点弯曲
到椭圆 ，利用椭圆方程特征， 路径 大于2:,而 理规定了
最 ， ，弯曲路径应与 路径
大。在约束 中，只
当的椭圆长轴， 椭圆内部进行弯快
面图像。（a）CT测试图
（b）CT成像图\\异常体
.速度异常图1地震CT测试与成像原理图Fig. 1 Seismic CT testing and ivaging schematic diagram2.2采集参数与 方法用GEODE采集站
作 收系统,井中激发系统 国IEGI005o 据 场试验（图2为典的
），孔CT测试详细采集数为： 间 20 %s；低 滤 200 Hz；接 收 数 24 ， 激 点 1 m， 收 间1 mo
数据
，在数据实测过程中应根据个钻孔的地 基岩 整的钻孔作钻孔， 于激 高的高频
，获取清晰的初
间，提高勘探精度；
交 孔与接收孔进行数据 ， 加 加次数，直到初清晰 ；
，数据 程中
的噪声20科学技术与工程19卷记录道图2地震CT原始单炮记录Fig. 2 Seismic CT originol single shot record监测功能开启，以选择振动噪声较小时进行激发与
接收。2・3数据处理初 反演模型的建立是CT层析 数据处理的 工作。原始数据由于 程中的干,
的存 杂 ， 进初,
对数据本身进行滤波处理， 于初
间， 的初 间是建立速度模的基础，而 度模型是否合理将
响反演结果。
试算与对比，采用快
技术和SIRT ( simultaneous iterative reconstruction technique )
算法对建立的初始模型进行反演，
图3所 流程进行数据处理，
了高分
地震CT层析成面。图3地震CT层析成像处理流程Fig. 3 Processing flow of seismic CT tomography3岩溶精细探测成果分析与解释砂岩与灰岩交界处为CT实测研究区，轨
道交 位及钻孔布设方式如图4所，以ZK7号钻孔为中心,分别与 的钻孔配对进行CT数据，并 图3所 流程进行数据处理， 了 5个CT速度结构剖面，并将1号面分别与2号剖
面、5号面
合剖面，将3号面与4号面合剖面 位置进 互 。从图4，
与灰岩， 灰岩与岩 、 的 度，岩
育规模清晰 ，具备较高的分 。成果解释以CT速度结构特征为基础，结
合钻孔资料对岩溶进行标定， 的岩溶分 ：精度可达到1 mo］砂岩灰岩
CT钻孔叵］其他钻孔钻孔线位
CT剖面
匣］岩溶投影图4 CT剖面及岩溶平面投影Fig. 4 CT profile and karst plane projection图5为1号地震CT层析 面与2号地震CT层析
面结合钻孔资料 综合地质解译图。1号 面以ZK7号钻孔为激发孔,ZK3号钻孔收孔,2号面以ZK7号钻孔为激发孔,ZK11 号钻孔 收孔。CT层析 度结构图 ：联合剖面土 度为4〜8 m,其纵波平 度小于2 000 m/s；岩 育区平 1 500 〜2 500m/s；完整灰岩平均纵 度大于4 000 m/s°结合钻孔资料对比CT丿 度结构剖面发现1号 面中存在3处规模较大的低 ：第一处低 常育深度为10〜12 m,横向发育宽度为1〜3 m；第间距/m图5乙皿-购-灯1地震CT层析成像综合地质解译图Fig. 5 Comprehensive geologicol interpretation map ofZK3-ZK7-ZK11 seismic CT tomography25期林 松，等:地震CT在岩溶精细探测中的应用与探讨——以深圳地铁14号线为例21大宽度为5.9 m；第三处低 育规模最大，深度 14.5〜22 m,宽度位置为7〜18. 05 m；2号剖面中存在2处规模较大的低 ，第一处低育深度为10〜12 m,横向发育宽度为1〜
3 m；第二处低
育规模较大，深度14. 5〜22 m,宽度位置为0〜6.4 m；对 1号剖面
与2号 面，两个 面的岩 A、B两处位置 高度吻合,纵向发育规模 ， 互连通,而钻孔资料揭露ZK7号钻孔分
度8. 6〜12. 5 m、14. 3-22.3 m处存在岩溶,进
CT速度结构剖面的 。好地揭露岩
方位上的特征，以ZK7号钻孔为中心,在与1、2号 面方位斜交的方 向上的3、4号 面做了 的数据测试工作。图63号地震CT层析
面与4号地震CT层析面结合钻孔资料 综合地质解译图。3号面ZK7号钻孔为激发孔,ZK2号钻孔 收孔,4号剖面以ZK7号钻孔为激发孔,ZK11号钻孔 匚收孔。CT层析
度结构图揭露土层厚度为1〜13 m,起伏 大,其纵波平均速度小于1 800 m/s；岩
育区平
800 -2 500 m/s；完整灰岩平纵 度大于4 000 m/s。3号CT层析 面灰岩 存 2 处低 , 度 8 〜24 m ,连 岩 育,横向发育规模 整个剖面,27 m深度存 处 低 ,横向宽度约7m。4号CT层析
面在灰岩区存在3处岩溶、溶蚀低 ：第一处低 育深度为10〜12 m,横向发育宽度为1〜3 m ；第 处低 育深度为14.5 〜23 m, 横向 育最大宽度 16.5 m； 第 处
低 育靠近ZK12号钻孔，深度14. 5〜23 m,宽度位置为0〜16. 05 m；深度10. 2〜20 m, 宽度约3 m。两个面的岩
:A、B两处位置
高度吻合，纵向发育规模一, 与钻孔资料揭 ZK7 号钻孔分
度 8.6 〜图6 ZK2丘K7丘K12地震CT层析成像综合地质解译图Fig. 6 Comprehensive geologicai interpotation map ofZK2-ZK7-ZK12 seismic CT tomography12. 5 m、14. 3-22.3 m处存在岩溶相符。图7中的1号面与图6中的1号面为同一
面，
CT反演收敛程度，将 面1中的 '孔 ZK3,收孔 ZK7, 的 数进行数据 与反演。结果 互 和接收孔，图7中的1号面与图6中的1号面揭露的
低 高度 ，在1号面中
存在3处规模 大的低
$第 处低 育 度10 〜12 m, 横向 育宽度 1 〜3 m； 第 处低育 度 11.5 〜17 m, 横向 育最大宽度 5.9 m；第三处低
育规模最大，深度14. 5〜22 m,宽度位置为7〜18. 05 m；与钻孔资料
ZK3、ZK7揭 的岩 育纵向深度相吻合。图7中的5号剖面是以ZK7号钻孔与ZK6号钻孔形成 的 个CT图像，与1号面、2号面、3号面4号 面构成了以ZK7号钻孔为中心的
：状探测
图,5号面从 个方向揭露了 下方岩
育特征，与1号面 A、B位置处可对接，并与ZK7号钻孔资料揭 的纵向岩育特征 合。这一结 加印证了地震CT精细探测岩 的 和 靠 。,
1号 面、2号 面、3号剖面、4号剖面 5号面所揭露的岩
育特征进 化，可将岩 育形态和规模 到平面上
(图4)，为轨道交通后期施工提供重要的地质和地球物理参考依据。孔深/m0ZK31#f!|® ZK75号剖面 ZK6反演波速/(km-s-1)10.8;;遂土层㊁蓉灰岩16203 5豆岩溶
24r4 0曲溶蚀裂隙
281-4.8 32\\55 0 8m36■-6.5 -------1&05
24$(T间距/m图7 ZK3-ZK7-ZK6地震CT层析成像综合地质解译图Fig. 7 Comprehensive geologicai interpotation map ofZK3-ZK7-ZK6 seismic CT tomography4结论城市岩溶地 中，由于场地
限制的，高密度电法、地反 对场地依
的地球物理勘探 已经失效，而地震CT技术却能小的空间内对岩溶进行精细探测。 圳地铁14号 岩
,应用地震CT技术对 :的岩溶进行探测,并从多个方面对探测结果进22科学技术与工程19卷行验证对比，取得 好效果)ZK7号钻孔为中心，将
钻孔与 对进地震CT探测， 数据 与反演，结合钻孔资料对比解释:剖面间在地 和岩育 交叉位置处的速度值和速度 高度一
; 方位剖面在同一交叉位置处的岩溶规模和度信息也 合，交数据 的 与接收
位置后，对得到的数据进 处理， 的面速度结构信息 ,5个剖面所反映的地震CT速度结构与钻孔资料揭露的地层特征十分吻合, 速度结构中的岩溶、
低速异常与钻探资料可对应。灰岩地区由于存在岩
育
、且基岩起伏面较大，，地下岩
育规模
仅仅依靠点信息的钻探
来 ，基岩起伏面也 简地依靠 图来生成，而地震CT层析 技术将较好地 钻探的局限，尤其是多剖面反演的速度结构图，互对比的 的 ，能真实
岩 育规模与基岩面起伏状态， 大工程解决地质难题的 ，也大地节约了经济成本,具 高的科学 和推 )参考文献1章飞亮，孙中科.综合物探技术在城市轨道交通岩溶勘察中的
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Wuhan Insitute of Eaohquake Engineeong Co. Ltd. 2 , Wuhan 430071 , China ； The Third Railway Survey
and Railway Third Survey and Design Institute Group Co. , Ltd. 3 ,Tianjin 300251 , China)% Abstract ] Becsuso of the limitation of site conditions and many inteOerenca factorr, il is diVicuit to ivplemenOseismic reOection, electricsi method and othec geophysicsi detection methods V urban Karst exploration. seismicCT tomovophy technolovy was used tv detect Karst V Shenzhen Metre Lina 14. The first arrival irovet live of crossi
well seismic wove wvs inverted, and datu processing and analysis were studied. FinOly, the elvcity stmcturv ofundervround medin wvs obtained, and tUa devalopmenO staOa of Karst wvs judged. The expeoventai resulos show thvO
tUa seismic CT tomovraphy Uchnolovy con better identify the fluctuation shape of bedrock suOyca, and con fine dai Uct the scsia of undervround Karst devalopmenO witU resolution less then 1 m. The detection resulos are highly coni sistent with the borehole datu. The successful introduction of this method provides v feasible schema fvr Karst
tion of urban rail transit. The resulos of this method csn ba used vs v reliable geolovicsi reference Vx majvr engUneeong construction, and hvva good scientific significsnca and popularization value.% Key word ] geophysics seismic CT sarst detection metre
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