1 引 言

近年来，越来越多的城市规划地铁建设，向地下空间发展已然成为一种趋势。地下工程项目日益增多，面临的工程隐患也越来越多，其中尤以地下岩溶对地铁建设和道路桥梁施工的危害最大[1,2]。岩溶发育区主要是分布在溶洞、断层破碎带或软弱地层中，尤其在灰岩地区较发育，如果不能及时排除潜在威胁，施工过程中可能会引起溶洞塌方、涌水等地质灾害，严重影响施工进度，威胁人员安全[3,4]。传统的物探方法如高密度电法由于场地限制，很难在城区大规模应用；探地雷达由于探测深度的限制也很难适应复杂的工程勘察；而层析成像技术能够利用地下介质的物性差异，通过地震波在地下介质的传播特点探测地下结构及岩性，对地下结构成像，从而探查可能存在的异常区。并且这种技术具有高分辨率、高效率等优点，被广泛用于建筑、公路、铁路等勘察中，常用的有地震波层析成像和电磁波层析成像[5-8]。由于岩石的地震波速度与岩性密切相关，便于利用地震波对介质进行成像，而岩石的电学性质不稳定，与岩石裂隙中的流体密切相关，不利于刻画构造和岩性，而且电磁波在地下介质中的速度由于太快而不易测量，衰减速度也远大于地震波衰减速度，探测深度非常有限[9-11]。因此在刻画构造和岩性方面，地震波CT优势比电磁波CT明显，而在找水或者确定流体性质方面，电磁波CT略胜一筹[11-13]。

20世纪70年代Chapman首次将医学CT的原理应用到地震勘探中，利用地震波在地下介质中的传播特征研究地球内部结构，从此为地球物理学研究中的地震层析成像奠定了基础。至20世纪80年代，随着计算机技术的进步，地震层析成像理论以及数值模拟方法得到快速发展。至20世纪90年代，地震层析成像技术的应用得到快速发展，并在地球物理勘探中得到了广泛的应用[14-16]。

本文结合跨孔地震CT技术研究现状简述了基本原理，然后结合实例，总结了实际工作中跨孔地震CT数据采集过程中仪器的选择原则、最佳测量孔距、观测系统的布置方法以及室内数据处理的基本流程，最后结合跨孔地震CT技术在桥梁基础勘察中的应用，分析阐述了跨孔地震CT技术在岩溶探查中的优势。

2 跨孔地震CT技术原理

跨孔地震CT技术又称为地震层析成像技术，是利用地震波在地下介质中传播速度差异，这种差异体现在地震记录上就是旅行时的差异，再结合地震波传播规律转换为速度进行成像，从而精确刻画地质目标的结构和物性特征[17，18]。其主要工作方法就是在一个孔中单点激发地震信号，在另一个孔中多道接收地震信号，组成一个密集交叉的射线网络(图1)，然后处理地震记录得到地震波走时信息，再通过迭代反演获得速度分布，重建地下介质的二维纵波波速图像[19-21]。地震波走时与介质速度的关系可以表示为：

图1 跨孔地震CT观测系统Fig.1 Cross-hole seismic CT observation system

式(1)中，dl是射线路径长度微分;ti是第i条射线的到达时间;v(x)是速度分布;R(v)是依赖于速度分布的射线路径。可以看出，当介质速度发生变化时，地震波旅行时也会发生改变，将式(1)离散就得到式(2)。其中，lnm是第n条射线在第m个单元内的路径长度；Sm是第m个单元的慢度；tn是第n条射线的旅行时。

Si=1/vi，i=1,2,3...,n

由于地震CT技术是在孔间进行测量，更接近目标体，避免了地表噪声和强衰减风化层的干扰，能够获得包含丰富目标体信息的高频记录，可以得到空间高分辨率的地震资料。

3 野外数据采集仪器选择

在进行野外地震CT数据采集过程中，主要使用的仪器有震源系统和地震信号接收系统。震源系统主要由震源激发元件和电缆组成，接收系统主要由水听器和地震信号记录仪以及微机系统组成。

3.1 震源激发系统选择

井间地震震源激发不同于地表震源，需要能够适应不同的井眼，并且不具备破坏性，可移动性较强，而且需要激发宽频带、激发性能可靠、可连续重复稳定激发的弹性波。目前井间震源大致可以分为两类，一类是脉冲型，一类是可控型，包括了爆炸、电火花、机械脉冲等，虽然它们可以依据不同的原理激发地震波，但是在稳定性、适应能力以及可靠程度上存在很大的差异，每一种方法都有一定的局限性。市场上常用的井间震源多为德国SWG1005型自动电火花震源，可以产生1 000 J的能量，震源主频高于500 Hz，适用于多次反复激发的情况，且输出稳定，激发性能可靠。

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