物探技術在隧底巖溶勘察中的應用研究

馮彥謙，許廣春

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

1 概述

鐵路隧道經常穿過地質條件復雜的巖溶地區，巖溶系統分布具有一定的規律性，但不同巖溶形態的空間展布是不規則的，同時，巖溶水的運動條件非常復雜，勘察清楚巖溶的規模、邊界，保證巖溶隧道基底質量，消除安全隱患，具有其必要性。

一般情況下，巖溶化程度最強的是灰巖，其次為白云質灰巖和白云巖，再次為泥質灰巖。從碳酸鹽巖的結構來說，一般晶粒越粗，溶解度越大，巖溶發育就愈強烈。因為晶粒愈粗大，巖石的空隙也大，吸水率高，抗侵蝕能力弱，有利于溶蝕。一般巖層愈厚，巖溶就愈發育，且形態齊全，規模較大，薄層碳酸鹽巖地層，巖溶化程度較弱。同時，巖溶發育的垂直分帶性取決于可溶巖地區水文地質的垂直分帶。在地表，受地表徑流的影響，巖溶形態以溶溝、溶槽、石芽等為主;在包氣帶，巖溶形態以漏斗、落水洞、豎井為主;在季節交替帶，巖溶發育最強烈，常形成復雜的大型溶洞、暗河、地下湖等。在水平徑流帶，地下水運動也相當強烈，常發育大量水平和傾斜的溶洞;在深部緩流帶，巖溶一般不發育，往往只有小溶洞及溶孔等。

2 物探方法的選取

根據巖溶的發育規律特征以及電磁波、地震波的傳播特征，采用探地雷達、高密度地震映像綜合勘察方法進行隧底巖溶探測。

探地雷達探測是一種對地下目標體或界面進行定位的電磁技術，其基本工作原理是:利用一個天線發射高頻寬頻帶電磁波，另一個天線接收來自地下介質界面的反射波，根據接收到的波的旅行時間(雙程走時)、波形以及強度等參數資料，推斷地下目標體的空間位置、結構、幾何形態等情況，從而達到對地下目標體探測的目的。

根據電磁波理論，當雷達脈沖在地下傳播過程中，遇到不同電性介質交界面時，由于上下介質的電磁特性不同而產生折射和反射。

雷達波在傳播過程中遇到巖溶破碎區，雷達波形成反射、繞射、散射等現象，而且雷達波中的高頻成分經破碎介質過濾后快速衰減，遇溶洞則出現強反射或出現明顯繞射波等特征。

高密度地震映像法，是以相同的小偏移距逐步移動測點來接收地震波信號，利用各種地震波的運動學和動力學特征，來反演介質的物性參數，獲取物性分界面或突變點的一種淺層地震勘探方法。在隧底巖溶探測中，用地震映像法采集數據時，采用單點激發，組合檢波器進行接收。儀器記錄后，激發點和接收點同時向前移動一定的距離，重復上述過程，可以獲得一條地震映像的時間剖面圖。

當仰拱下部基巖溶蝕破碎或巖溶發育時，高頻成分經破碎介質過濾后快速衰減，形成反射、繞射、散射等現象，地震資料中會出現強低頻振蕩反射波或出現明顯繞射波等特征。

3 方法影響因素

(1)測線要盡量布設在基底平整的地點，一般在仰拱澆筑后進行隧底巖溶探測。

(2)隧道基底的淤泥、積水會衰減電磁波的傳播，同時襯砌臺架也使得電磁波產生有規律的反射，故探地雷達施測前，必須盡量規避相關干擾。

(3)由于地震波易于受到爆破等振動干擾，故高密度地震映像施測前，要將振動干擾等不利因素排除。

4 實例分析

某鐵路隧道位于呂梁山黃土梁卯區，設計為雙線隧道。隧道進出口位置沖溝較發育，出口為黃土偏壓，進口為角礫狀泥灰巖為主，局部夾石灰巖，中部存在斷層破碎帶，分布斷層泥及斷層角礫狀松散結構。

開挖揭示局部段落溶蝕現象嚴重，左、右邊墻皆發育有溶洞。為保障行車安全，在仰拱鋪設后，軌道鋪設前需進一步采取物探方法查明隧底巖溶規模、分布情況。

探地雷達采用100 MHz天線，采樣長度180 ns，儀器采用美國GSSI地球物理探測系統，SIR-20型地質雷達。

高密度地震映像法采用落錘震源，偏移距1 m，點距1 m，儀器采用美國Geometrics公司NZ-72地震儀和放置于鐵鞋上的5個60 Hz高頻組合檢波器，采樣率0.031 25 ms，記錄長度128 ms。地震映像法測線采用測繩放點。

在仰拱下部基巖完整時，電磁波、地震波穿透時，波組特征表現為同相軸連續，能量均一，未有明顯強反射(圖1、圖2)，兩圖分別為DK100+750～+800段仰拱下完整基巖的探地雷達和高密度地震映像圖像。

當仰拱下部存在巖溶(溶蝕)段落時，兩種探測方法剖面上均會出現強反射異常，表現為:低頻、同相軸錯段、能量大、延續周期長。在DK100+320～+345處(圖3、圖4)、DK100+510 ～ +530 處(圖 5、圖6)、DK100+610～+625處、DK100+650～+670處(圖7、圖8)處均有異常表現，故分別在DK100+330(對應ZY-1鉆孔)、DK100+520(對應 ZY-2鉆孔)、DK100+620(對應ZY-3鉆孔)、DK100+665(對應ZY-4鉆孔)四處布設鉆孔，進行鉆探驗證，均鉆探到溶腔，表明我們基于隧底巖溶物探異常的判別是客觀存在的。

圖3 DK100+320～+345處雷達圖像

圖4 DK100+320～+345處地震映像

圖5 DK100+510～+530處探地雷達圖像

圖6 DK100+510～+530處地震映像

異常深度的確定:通過高密度地震映像法無法獲得地震波速度，而根據相關經驗，電磁波在灰巖及混凝土中傳播的速度的平均值約為0.11 m/ns，據此按照探地雷達探測成果給出異常深度。表1是物探異常深度與鉆探深度對比表，可以看出:ZY-1、ZY-3、ZY-4鉆孔物探異常深度確定的誤差為0.1 m，ZY-2鉆孔物探異常確定的深度沒有誤差，佐證了物探深度確定的合理性。

圖7 DK100+610～+625處、DK100+650～+670處探地雷達圖像

圖8 DK100+610～+625處、DK100+650～+670處地震圖像

表1 鉆孔分布及鉆探異常

探測過程中，發現在DK101+120～DK101+140處，雷達圖像上明顯看到反射波強烈，并且呈雙曲線形態，但高密度地震成果未見異常(圖9、圖10)。經過研究后，在該測線旁3 m處另布設一條雷達測線作為旁測線(圖11)，結果與之前雷達剖面有相似異常反應，施以鉆探驗證，鉆探到了溶腔，深度為 5.4～6.8 m。這表明:由于仰拱結構形式等原因可能會造成有些物探異常在兩種方法剖面上不能夠同時得到有效反映，此時應該在異常反應明顯的物探方法上布設旁測線，以進一步確定異常的存在與否。

圖9 DK101+120～+140處探地雷達圖像

圖10 DK101+120～+140處地震映像

圖11 DK101+120～+140處旁測線探地雷達圖像

5 結論

(1)采用探地雷達和高密度地震映像綜合勘察技術對于隧底巖溶探測是行之有效的方法，并且在地震映像勘察中，采用組合檢波器接收，具有低通濾波作用，能夠提高資料的信噪比。

(2)高密度地震映像勘察不能獲得速度參數，巖溶異常的深度宜按照電磁波的傳播速度確定，大量實驗表明:電磁波在混凝土及灰巖中傳播的平均值約為0.11 m/ns，但該深度只能反映異常的頂板位置，不能夠對異常的底板位置進行精確確定。

(3)探測過程中受仰拱結構形式、地面積水等因素的影響，同一位置的物探異常不能夠同時出現在雷達、地震剖面中，即出現的所謂的單一異常情況，此時對于物探異常反映明顯的方法，要布設旁側線予以佐證。

［1］ 鐵道第一勘察設計院.鐵路工程地質手冊［M］.北京:中國鐵道出版社，2007.

［2］ 楊良泉，等.地震映像法在垃圾坑勘察中的應用［J］.地球物理學進展，2012，27(4):1788-1794.

［3］ 崔德海，楊慶波.宜萬鐵路隧底巖溶探測物探技術應用研究［J］.鐵道工程學報，2009(2):80-84.

［4］ 魏繼東.檢波器數量對組合壓噪能力的映像［J］.物探與化探，2011，35(2):238-242.

［5］ 秦承彬，等.探地雷達在隧道巖溶探測中的實例分析［J］.物探化探計算技術，2011(1):268-272.

［6］ 單娜琳，程志平.地震映像方法及其應用［J］.桂林工學院學報，2003，23(1):36-40.

［7］ 鹿子琳.不同路面條件下地震映像勘探效果的對比研究［J］.華北地震科學，2011，29(1):20-23.

［8］ 曾昭發，劉四新，等.探地雷達方法原理及應用［M］.北京:科學出版社，2006.