電磁波CT技術在某橋墩巖溶勘察中的應用

王建軍, 高建華

(1.湖北省地質局 地球物理勘探大隊,湖北 武漢 430056; 2.水利部 長江勘測技術研究所,湖北 武漢 430011)

電磁波CT技術在某橋墩巖溶勘察中的應用

王建軍1, 高建華2

(1.湖北省地質局 地球物理勘探大隊,湖北 武漢 430056; 2.水利部 長江勘測技術研究所,湖北 武漢 430011)

結合某橋位5號墩巖溶探測實例,闡述井間電磁波CT技術的基本原理、工作方法及探測效果等。從后期鉆孔驗證結果來看,該方法能比較清晰、直觀地反映巖溶發育情況,有效地彌補鉆探工作以點代面的不足,為后期巖土工程勘察及設計提供工作依據。

井間電磁波CT;巖溶勘察;橋墩

巖溶發育區具有較強的隱蔽性,故在工程地質勘察中難以被發現。因其對工程設計、施工質量等方面有很大的影響,查明巖溶發育特征是非常必要的。由于單個鉆孔僅可了解一點地層垂向上的變化,若要了解橫向上地層變化特征則需布置大量鉆孔。單純采用鉆探方法,則勘察成本和周期可能成倍增加。大量實踐表明,井間電磁波CT技術以其分辨率高、解析成果直觀等特點,廣泛應用于工民建、公路、鐵路、環境、礦山等多方面工程地質勘察中[1-3]。尤其是在巖溶等隱伏地質體的探測工作中具有較好的應用效果,它可快速查明巖溶的分布位置和范圍,在解決巖溶地質災害問題方面具有不可替代的優越性。

武漢沌口長江大橋5號墩鉆探過程中發現巖溶發育,尤其右側基礎處巖溶極發育,但鉆探成果無法判定其空間分布形態。為此,在現有的鉆孔地質資料基礎上,應用井間電磁波CT對該橋墩基巖地質進行了勘察,收到了良好的勘察效果,為橋梁施工設計提供了重要的工作依據。

1 方法原理

電磁波CT即用無線電波為物理手段對地質體進行成像,其根本出發點是基于惠更斯原理。電磁場的物理基礎是麥克斯韋方程[4-5],從麥克斯韋方程組推導出電偶極子場,當測點與發射點距離足夠遠時,可以將電偶極子場作為輻射場。在輻射區內,介質中的電磁波傳播路徑可以用射線來描述。實際工作中,井間電磁波法通常使用的都是半波天線,對于配置半波偶極子天線的電磁波儀，當兩鉆孔平行時,其輻射場的場強可表達為:

式中:E0為初始輻射場(V/m)；R為射線長度(m),即射線傳播的路線積分；D為兩孔間的水平距離(m)；β(dB/m)是反映介質電磁特性的一個參數,稱為介質電磁波吸收系數。

因為接收天線上的每一點的場強不同,故讀出的觀測值E實際上是某種平均值。其大小與場強沿接收天線的分布、接收天線的幾何性質以及接收點周圍的介質情況有關,它反映了輻射場在空間的分布。通過對實測電磁場強進行處理,重構射線所掃描的區域內巖體介質電磁波吸收系數分布,從而確定異常的位置、空間分布和形態。

由于不同介質對電磁波的吸收存在差異,當電磁波穿越不同的地下介質(各種不同的巖石、礦體等),或者層析介質中存在不均勻層或裂隙破碎等異常時,其電阻率、介電常數、電導率、磁導率等均發生變化,吸收系數就會呈現異常,可以利用這些差異來推斷目標體位置、結構與形狀。根據β表達式可以知道,β由電阻率、介電常數、磁導率、電磁波頻率所共同決定,所以在一定頻率下吸收系數是地下不同地質體由于其不同電阻率、介電常數、磁導率綜合效應的結果。通過分析可知,在一定頻率下,當μ、ε一定時,電磁波的吸收系數主要由σ決定,當σ大時,β就大,即當地下地質體為良導體時,吸收系數就大,反之吸收系數就小。由此可見,電磁CT法對良導體異常有很好的反映。在電磁波視吸收系數剖面成果資料中,巖溶發育區、巖體破碎及裂隙發育區,視吸收系數表現為高值異常。

圖1 橋位5號墩位平面及鉆孔布置圖Fig.1 Layout of No.5 the bridge pier bit plane and borehole

2 地質與探測概況

2.1 橋位5號墩地質概況

沌口長江大橋5號墩中心樁號K96+794,位于長江河道右岸岸坡中上部,自然坡度約10°～15°,自然地面標高14.49～18.58 m。該墩處石咀背斜西翼,上覆土層由新近沉積土、中更新統老粘土及殘積土構成,厚4.5～6.5 m,其下全風化泥巖厚7.5～10.7 m,下部基巖由泥盆系石英砂巖及石炭系(C)—二疊系下統(P1)灰巖構成。二疊系灰巖呈中薄層狀,裂隙發育,之下石炭系灰巖呈中厚層狀,局部裂隙較發育,最下部泥盆系石英砂巖巖石新鮮,其質硬性脆裂隙發育,巖體完整性差。該墩主要存在巖溶問題,在墩位及其鄰區共鉆12孔(兩處驗證孔511、512)(圖1),5孔遇溶洞,達44%,尤其以504、505號孔巖溶最為發育；溶洞呈串珠狀發育于二疊系灰巖中,鉆探揭露最大洞徑5.7 m,巖溶最大發育深度達74 m,該區巖溶強發育且發育深度大,對橋基設計影響嚴重。

2.2 物探工作

工作中針對巖溶發育的地段進行了井間電磁波CT工作,完成了2條電磁波CT剖面,分別為ZK504-ZK503剖面、ZK503-ZK505剖面。經過試驗,井間電磁波CT工作選用頻率3 MHz。在布設觀測系統時盡可能對被測區域進行全方位掃描,采用多次覆蓋技術,結合同步觀測和發射機與接收機互換的定發觀測系統,點距定為1 m。

3 成果分析及驗證

3.1 井間電磁波CT

ZK503孔口高程為17.67 m,孔深75.30 m,在高程3.87 m處見灰巖,ZK504孔口高程為17.57 m,孔深74.00 m,在高程0.47 m處見灰巖,ZK505孔口海拔高程為18.52 m,孔深91.50 m,在海拔0.28 m處見灰巖,因此測試從高程0 m(深度分別為17.67 m、17.57 m、18.52 m)處開始,ZK503至可測孔深63.7 m止,ZK504至可測孔深63.6 m止,ZK505至可測孔深64.5 m止,孔間距均為19.5 m；工作示意圖見圖2,視吸收系數結果見圖3。

圖2 電磁波CT野外工作示意圖Fig.2 Schematic diagram of electromagnetic wave CT field work

由該圖可看出,ZK504-ZK503剖面存在兩處視吸收系數高異常區:①平面位置6.8～13.9 m、深度33.7～48.8 m處為一高值異常,該異常亦呈條帶狀斜向發育,向504孔傾斜,視吸收系數>0.2 dB/m,推測為溶蝕發育區,后期在該異常段增補511孔,驗證了該溶蝕區的存在。②平面位置0～4.9 m、深度30.5～44.7 m處為一高值異常,呈條帶狀斜向發育,向504孔傾斜,視吸收系數>0.2 dB/m,該段為溶蝕發育區,與鉆孔資料相吻合。①、②兩處巖溶發育較強,通過破碎的巖石、小型溶蝕等可能存在連通關系。

圖3 視吸收系數及解釋成果圖Fig.3 Apparent absorption coefficient and the interpretation results

ZK503-ZK505剖面存在兩處視吸收系數高異常區:①平面位置18.2～19.5 m、深度19.5～23.2 m處為一高值異常,呈橢圓型斜向發育,向505號傾斜,視吸收系數>0.2 dB/m,結合鉆探資料,該段為巖溶較發育區。②平面位置17.1～19.5 m、深度48.5～64.5 m處為一高值異常,該異常呈條帶狀垂直發育,視吸收系數均>0.2 dB/m,為巖溶發育區,與鉆孔資料相吻合；該處巖溶發育較強,且向剖面內不甚發育。剖面間巖體大規模溶洞不發育。

3.2 橋基總體評價及采取的對策

井間電磁波CT成果與鉆探成果吻合良好,后期鉆探亦對ZK504-ZK503剖面段異常②進行了鉆探驗證。通過物探工作,準確地確定了該橋墩基礎處巖溶的位置、規模和埋深等基本情況(見圖3所示)。

由圖3可知,ZK505附近處于強巖溶區邊界線附近,溶蝕區主體位于墩外,且發育深度大,對橋基設計影響最為嚴重。據此,設計對5號墩進行了微調,并在新墩位區布置了5個鉆孔(SZK512-SZK516),勘探揭露顯示:新布置的鉆孔均未遇溶洞,巖體溶蝕現象亦不明顯,新鮮完整巖體厚度29.8～34.3 m,其下為泥盆系石英砂巖,以完整的白云巖作為橋梁樁基持力層,安全可靠。

4 結語

物探工作針對橋墩處巖溶發育情況進行了有效探測,查明了巖溶發育特征,工作成果得到了鉆孔驗證,為橋基設計提供了指導性的基礎資料。

通過實例表明,在灰巖地區開展井間電磁波CT探查巖溶,是一種比較有效的手段。和常規物探方法相比,該方法分辨率高,亦可克服常規物探方法難以解決的場地狹小等困難。但使用過程中需考慮井間距、頻率等因素。選擇合適天線,且應使孔深與井間距相互匹配。實踐證明,井間物探方法與鉆孔資料相結合,具有良好的探測效果,可方便應用于工程地質勘察中,其解釋準確可靠,有效地彌補了鉆探工作的不足,具有較好的應用價值。

[1] 李張明.電磁波層析成像技術在溶洞探測中的應用[J].中國巖溶,1995,14(4):372-378.

[2] 何禹,李永濤,朱亞軍.鉆孔電磁波CT技術在深部巖溶勘探中的應用[J].工程地球物理學報,2010,7(4):451-455.

[3] 岳崇旺,王祝文,徐加益.電磁波層析技術在工程地質中的應用[J].物探與化探,2008,32(2):216-219.

[4] 吳以仁,邢鳳桐.鉆孔電磁波[M].北京：地質出版社,1982.

[5] 岳崇旺.井間電磁波層析成像研究與應用[D].吉林:吉林大學,2007:22-28.

[6] 楊文采.地球物理反演和地震層析成像[M].北京：地震出版社,1989:36-43.

(責任編輯：陳姣霞)

Application of Electromagnetic Wave CT in the Investigation of Pier

WANG Jianjun1, GAO Jianhua2

(1.GeologicalExplorationBrigadeofHubeiGeologicalBureau,Wuhan,Hubei430056; 2.ChangjiangSurveyandMeasurementTechnologyResearchInstitute,MinistryofWaterResource,Wuhan,Hubei430011)

According to a example of detecting karst of bridge No.5 foundation,the paper describes the basic principle of cross hole electromagnetic wave CT technology,working methods and the detection effect etc.From the late drilling verification results show that the method can more clearly and intuitively reflect the development of karst,effectively compensate for the lack of a point to the surface of the drilling work,provide the basis for geotechnical engineering investigation and design stage.

electromagnetic wave CT; karst; investigation; pier

2015-02-12;改回日期:2015-04-20

王建軍(1974-),男,高級工程師,碩士,物探專業,從事工程物探工作。E-mail:497620128@qq.com

U442.2; P631.3+25

A

1671-1211(2015)04-0464-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201504020

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150619.1333.001.html 數字出版日期:2015-06-19 13:33