微重力法在鐵路山嶺隧道溶洞勘察中的應用

唐 沛

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司,北京 1002600)

1 概述

巖溶山區隧道的勘察一般采用地面地質調查先行，物探為主,結合地質鉆探驗證的綜合勘察方法。根據地質、地形、接地條件及隧道埋深,目前國內外主要采用的物探方法有電法(高密度、電測深)、大地電磁法、淺層地震法等。但本文所涉及工程具有特殊的地形和接地條件,上述方法均難以適用,通過采用微重力法這種以往鐵路工程地質勘察中極少采用的新技術,結合鉆探和地質調繪,最終發現巨型溶洞的存在。查明了其空間位置、形態,為鐵路改線避讓最危險的巖溶大廳提供了重要依據,避免了隧道施工中最難處理的突水、突泥和坍頂等重大不良地質災害事故,避免了人員傷亡和機械設備損失。

廣西某鐵路工程位于桂西巖溶山區,其隴政隧道地處百色市德保縣,該區巖溶發育,呈峰林、峰叢和洼地地貌,巖溶管道多有分布。該隧道地勢起伏較大,山體自然坡度15°～45°,DK47+680～DK47+825段地表分布巖溶塌陷封閉洼地,基巖裸露,隧道埋深40～50 m，線路南側公路下可見一空溶洞(直徑約30 m)。

由于地形陡峻,地表大面積分布溶蝕殘余的石芽,高度一般在1～2 m,接地條件很差。且由于地表為一狹窄的小型巖溶封閉洼地,不具備地震或電法、電磁法拉測剖面,僅布置了零星的大地電磁測點,難以對隧道區巖溶狀況進行整體評價。因此,借鑒考古和水利工程勘察經驗,布置了微重力法工程物探工作。

2 微重力法介紹

重力勘探是應用重力儀測量巖體密度差異所產生的局部重力異常,以研究有關的地質構造的工程物探方法。傳統重力儀精度只能達毫伽級,在探測小地質體或小構造方面的應用大為受限,主要應用于地質構造研究、尋找固體礦產或能源礦產。而目前的新型高精度重力儀的測試精度為微伽級(10-6Gal,即μGal),因此形成了新的重力勘探方法——微重力法,又稱高精度重力法,許多傳統重力勘探不能解決的問題都得到了很好的解決,其中探查空穴和溶洞是微重力勘探的強項。

20世紀70年代以來,隨著高精度微伽重力儀的出現,歐美應用微重力法進行工程勘察有較多成功范例。美國在核電站地基空洞探查,歐洲在對二戰期間廢棄采礦坑的探查，均應用了微重力法并取得良好效果。

我國微重力勘察起步較晚,目前該方法應用仍不夠普遍,僅在考古和水利工程勘察方面有所應用。在明十三陵的茂陵(1988年)和秦始皇陵地宮(2002年)的考古工作中均應用了微重力法,在探測陵墓地下結構和分布方面取得較理想效果。

3 微重力法實施及成果解譯

3.1 工作布置和數據采集

(1)工作布置

采用靜力法進行重力面積細測(精測)。

工作布置原則：(1)首先要確定工作比例尺,它反映工作的詳盡程度。本次勘探工作是高精度重力測量,因此按1∶250的大比例尺開展工作。(2)測區和測線、測點要覆蓋地質分析預判的溶洞可能分布區。(3)通過策劃和加測,保證每個重力異常區至少有4個測點。(4)測線線距不大于預判溶洞直徑的1/3。

因此,精測工作是對隧道通過段上方的整個小型封閉巖溶洼地,在線距為10 m和點距為5 m的自由測網上進行1∶250的面積測量,異常地段點距加密至2.5 m。由于地形條件的限制，未能用規則測網。

(2)重力測量

野外測量工作一周結束,完成了500余個物理測點的重力測量。考慮測區面積不大,因此僅在工區內選擇了一個基點。為了保證觀測質量,每天每臺儀器至少三次按時在基點上重復觀測,以檢查儀器的零點位移情況。2臺重力儀均采用目前國際上最先進的LaCoste & Romberg微伽重力儀,分辨率5μGal,測程300 m Gal。

(3)地形測量

在重力勘探工作中,為了準確完成重力測量結果的各項改正,繪制重力異常圖,確定重力異常的坐標位置,進行了測地工作。本次采用全站儀結合精密水準儀進行測地(距)工作,以布設測網。

3.2 重力資料的處理及解釋

首先將觀測記錄的讀數換成重力差值；其次進行地形和干擾質量等各項改正；再進行微重力異常劃分,得出局部異常,并繪制微重力異常平面圖；最后根據已知地質情況和微重力異常特征,推斷巖溶的分布規律和賦存狀態。

(1)重力資料處理

首先進行工區重力觀測數據的整理：一是固體潮改正和零點掉格改正,二是外部改正。

大比例尺的精測時,每天均應在重力測量結束后，針對每臺儀器的觀測結果，先用現代公式進行固體潮改正,對余下的純零點漂移和溫度影響殘余再做零點校正。進行這兩項改正之后，即將觀測記錄的讀數換成各個測點相對于基點的重力差值。

這個重力差值還與觀測地面的形狀、測點高度和地形不規則有關。因此,在做地質解釋之前必須對觀測的數據進行相應的外部改正,包括正常場改正(緯度改正)、地形改正、中間層引力改正和高度改正。改正后將獲得僅僅與地下目標體有關的重力異常。

本次地形改正采用計算機計算,正演計算重力地形改正值。經地形校正后,相當于將測點周圍的地形“夷為平地”。

把隧道勘察區的實測或更大范圍既有CAD高程數據網格化成5 m×5 m的網格數據,將以測點為中心的四周地形分割成5 m×5 m的方形小塊,用軟件計算出每一小塊地形質量對測點的重力值,然后累加求和便得到該測點的地形影響值。所依賴的數據是本次全站儀+水準儀測地工作所得到的1∶250實測測點坐標和高程,以及比重力工區更大范圍的1∶2 000比例尺的CAD三維地形圖。

將中間層改正與高度改正合并進行,即進行“布格校正”。

經過以上各項改正后，整個布格異常精度為±30μGal,由此得出的1∶2 000布格異常圖未出現山形異常,精度較高。對經過上述改正的重力異常數據再進行微重力異常劃分,利用Kriging方法做網格化處理,得到原始重力異常(布格異常)。繪制出微重力異常平面等值線圖來表示其分布情況(見圖1)。

注：灰度色塊為重力異常(布格異常)等值圖；黑色等值線為CAD地形等高線

3.3 重力異常解釋

對原始重力異常做處理和反演解釋。形成重力異常解析剖面圖(見圖1)。

選擇高通濾波處理方法對原始重力異常進行處理計算,得到的重力異常等值圖(如圖1)，有效地突出了溶洞重力異常。

本次重力勘探工作的重點是反演解釋鐵路隧道里程+700～+800之間的溶洞,從圖1可見,之間發現了三個負重力異常,從西向東順次分別稱之為A1、A2和A3,它們的極值分別約為-255 μGal、-305 μGal和-90 μGal。它們獨立成圈閉,整體連成一線,可以判斷認為這三個負重力異常是地下溶洞引起,且可能為巖溶管道。這個結論的重要根據之一是場區附近的一個已知地下空溶洞(地表可以觀察,水平坐標：36 383 105 m,2 592 246 m)在本次測量的重力異常中的反映。針對該已知溶洞，有目的地布置了一條點距2.5～5.0 m的測線,成果顯示其上方有一個極值為-150 μGal的負重力異常A0,溶洞水平位置與該重力異常的水平位置非常吻合,這也從地質類比的角度證明了溶洞能引起負重力異常。同時做的大地電磁勘探效果雖不很理想,但在ZK1向西大約20 m處也反映出有低阻異常。

基于這個發現和區域地質分析,對A1、A2和A3三個重力異常進行了反演計算,結果得到A1異常處地下溶洞頂深約為32 m,A2異常處地下溶洞頂深約29 m,A3異常處地下溶洞頂深約為27 m(見圖2)。

圖2 沿地下溶洞走向剖面S-E的溶洞頂板埋深

3.4 成果驗證

根據物探成果判釋,在重力異常A1范圍內布置了鉆孔ZK1(坐標：36 383 009 m,2 592 408 m), 鉆孔揭示在-30～-70 m深度范圍存在空溶洞,即溶洞頂板埋深30 m,與微重力成果解釋較吻合。

通過大范圍走訪和深入調查,最終通過一隱蔽洞口進入了溶洞內部，進行詳細的地質調查和洞內測繪,查明隧道工點范圍內發育一個巨型溶洞,埋深20～40 m,洞高50～70 m,寬80～115 m,且為該區地下暗河系統的一部分,以寬約8 m、高約10 m的廊道向北西方向延伸約300 m(見圖1虛線所示)。該溶洞在雨季為泄洪通道,對隧道影響較大,其位置和埋深與微重力判釋結果比較吻合。 鐵路線路據此改線避讓,向北偏移約100 m,跨越巖溶廊道通過,目前,該隧道已成功貫通。

4 結論和建議

(1)微重力方法在其勘察對象與圍巖之間存在一定橫向密度差異時,是一種方便、有效、的物探手段,具有野外施工簡單、儀器體積小、重量輕、操作簡便的優點,極有發展前途。

(2)與電法和大地電磁法相比,不受電磁信號、金屬物干擾及接地條件的影響；在精細地形測量配合下,測試和成果解譯也不受地形、通行、通視及場地范圍狹窄的影響,在解決工程勘察中的某些問題上能發揮獨特的作用。

(3)適宜用于各種地形及覆蓋層類型的淺層巖溶勘察,特別是對于淺埋、具有一定體量的溶洞(洞穴)勘察,微重力是一種理想方法；對于裸露型巖溶地區、地形變化復雜、場地狹窄受限地區的淺層溶洞(洞穴)勘察,與電法、電磁法等其他物探手段相比具有特殊優勢。同理,對于大面積采空邊界、地下采礦廢礦洞和老巷道、地下古建筑和古墓的探查也會有較明顯效果。

(4)在山區應用該法,必須配合進行全站儀測地、RTK衛星定位等高精度地形測量,對重力測點的大地坐標和絕對高程進行測量。

(5)微重力勘探需要地質調查配合以獲取區域地質信息,也需要地質鉆探工作配合以獲取重力異常處理和解釋所需的地層巖性及其密度等物理指標。有條件時,與其他工程物探方法如電法、工程地震等方法相配合,能取得更為理想的效果。

[1] 郭建強，等.地質災害勘查地球物理技術手冊[M].北京：地質出版社，2003