高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)在巖溶地區(qū)鐵道路基探測中的應(yīng)用

梁慶韶

高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)在巖溶地區(qū)鐵道路基探測中的應(yīng)用

梁慶韶

梁慶韶1張賽民2邢浩婷2

1.成都理工大學(xué)“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實驗室成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院；2.成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院

高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)探測，在巖溶地區(qū)的工程勘察和災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查過程中，應(yīng)用范圍非常廣泛。在巖溶地區(qū)的鐵道路基探測中，應(yīng)用高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)探測相結(jié)合，能提高探測結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。通過運(yùn)用這兩種方法的基本原理及野外施工方法，查明鐵道路基及隧道底部的巖溶發(fā)育情況，驗證出這兩種方法在實際探測中的應(yīng)用效果良好，為鐵道的后期施工提供了安全保障。

鐵路在國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中擔(dān)負(fù)著重要責(zé)任，7·23甬溫線特別重大鐵路交通事故，暴露出國家在推進(jìn)鐵路發(fā)展過程中，安全發(fā)展理念履行不到位的問題。而在中國西南地區(qū)的鐵路建設(shè)過程中，鐵道須穿越巖溶地區(qū)，就需要用地球物理方法查明鐵路設(shè)計線路的路基及隧道底部的巖溶發(fā)育情況，來保證鐵路在巖溶地區(qū)順利施工。

高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)探測這兩種地球物理勘察方法，在實際的工程物探應(yīng)用中有很多優(yōu)勢，它們不僅能快速、直觀的獲得檢測結(jié)果，而且經(jīng)濟(jì)實用、操作簡單。在巖溶地區(qū)的鐵路路基建設(shè)過程中，結(jié)合高密度電阻率法和地質(zhì)雷達(dá)探測這兩種方法研究鐵道路基下方溶蝕孔洞分布情況，通過分析電法得出的視電阻率圖像和地質(zhì)雷達(dá)反映的雷達(dá)圖像的異常，可以大致判斷出地下地質(zhì)體的基本情況，再通過鉆孔驗證地質(zhì)體的實際情況，從而確保鐵道路基的安全建設(shè)。這些優(yōu)勢決定了這兩種物探方法，在實際應(yīng)用的過程中，意義都非常重要。

探測區(qū)概況

探測區(qū)位于重慶市某地區(qū)的一條客貨兼運(yùn)的地區(qū)性鐵路的建設(shè)現(xiàn)場，該地區(qū)地勢較為平坦，地表植被不發(fā)育，是高密度電法勘探和地質(zhì)雷達(dá)法探測的理想?yún)^(qū)域。

該探測區(qū)域是由一系列的山、山脊、溝谷、山間小盆地等組成，平均海拔為700m～800m，最低點(diǎn)海拔高度小于600m，最高點(diǎn)海拔高度在1200m左右，高差達(dá)到400m。區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)情況比較復(fù)雜，上覆地層是第四系全新統(tǒng)地層，下伏基巖是三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組和嘉陵江組地層。主要以沉積巖為主，巖性主要有：泥巖、灰?guī)r、泥灰?guī)r、白云巖夾巖溶角礫巖、坡洪積層黏土、碎塊石、塊石土等。

由于區(qū)內(nèi)灰?guī)r、泥巖、砂巖與塊石土之間的介電常數(shù)存在著明顯的電性差異，這為高密度電阻率法探測巖溶發(fā)育提供了地球物理前提。但是它們之間的電阻率存在交叉重疊，對解釋精度可能產(chǎn)生一定的影響，因此，就需要用地質(zhì)雷達(dá)探測作為補(bǔ)充。

高密度電阻率法

高密度電法的基本原理

高密度電法屬于一種直流電阻率法，它的原理與常規(guī)電阻率法大致相同。它可以通過單次的電極排布，完成縱向和橫向二維勘探的任務(wù)。縱向二維勘探具備電剖面法的特征，橫向二維勘探具備電測深法的特征，這些特征能夠同時反映地下某一深度的水平和垂直方向上的巖體電性變化情況。隨著供電電極電極距的增大，高密度法的探測深度也隨之增大；隨著隔離系數(shù)n逐漸增大時，測量電極電極距也逐次增大，這些都能增加電法儀器對下深層巖體和介質(zhì)的反應(yīng)能力。

高密度電法野外施工方法

在本次高密度電阻率法的測量工作中，我們使用的儀器是重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的WDJD- 3多功能數(shù)字直流電法儀，該儀器采集數(shù)據(jù)速度快、精度高，而且性能可靠。測量電極60根，電極距為2m。

為了合理選擇正式施工時的各種參數(shù)，在正式施工前，我們分別在學(xué)校內(nèi)部以及工作區(qū)做了一定數(shù)量、不同參數(shù)、不同排列裝置的實驗工作，以確定最佳的勘探裝置以及電極間距，把在測線上最有可能有巖溶發(fā)育的地區(qū)作為工作區(qū)試驗段。實驗最終確定長剖面電極間距5m，α裝置；短剖面針對不同區(qū)域分別采用5m或3m電極距，α裝置或聯(lián)合剖面裝置測量。對于探測區(qū)內(nèi)可能發(fā)育的充填溶洞，高密度電法適于探測個體大，埋藏比較深的溶洞；如果探測深度過深，則可根據(jù)需要增加測線的長度，以此加大探測深度；但是高密度電法的分辨率較低，不能反映溶洞內(nèi)部的充填物的分層情況，也不能真實反映體積較小的溶洞，因此，某些時候則需要用地質(zhì)雷達(dá)探測作為補(bǔ)充。

地質(zhì)雷達(dá)探測

地質(zhì)雷達(dá)的原理

地質(zhì)雷達(dá)通過主機(jī)控制的探測天線，向探測目標(biāo)發(fā)射一定頻率的電磁波，當(dāng)高頻電磁波傳至被探測體內(nèi)部兩種不同介質(zhì)的分界面時，由于兩種介質(zhì)的介電常數(shù)不同而使電磁波發(fā)生反射、折射，入射波、反射波和折射波的傳播遵循反射定律和折射定律，反射波返回被探測體的表面，并由地質(zhì)雷達(dá)的接收天線所接收，形成雷達(dá)圖像。通過分析不同介質(zhì)層位上的反射波、反射波組的特征，獲取反射層的介質(zhì)類型、結(jié)構(gòu)等特征屬性。

地質(zhì)雷達(dá)探測的解釋判定原則

地質(zhì)雷達(dá)探測的判定有以下的原則：

不良地質(zhì)體的判斷；如果某處可能出現(xiàn)不良地質(zhì)體，如軟弱層或者水等的時候，地質(zhì)雷達(dá)的反射波會在連續(xù)性較好的波組之后突然出現(xiàn)低頻或者衰減的現(xiàn)象；如果某處地下巖層為破碎帶時，地質(zhì)雷達(dá)的反射波組會出現(xiàn)比較凌亂的現(xiàn)象；

不良地質(zhì)體埋藏深度的計算方法；不良地質(zhì)體埋藏深度的計算方法可以按照時深轉(zhuǎn)換公式進(jìn)行時深轉(zhuǎn)換計算，其中電磁波在介質(zhì)中的傳播速度為V，反射波在檢測目的界面處所對應(yīng)的雙程時間為T，不良地質(zhì)探測體的界面埋深或探測體的厚度為H。

典型的地質(zhì)現(xiàn)象與雷達(dá)圖像、波形特征之間存在這一定的關(guān)系

工程實例及兩種探測方法比較

高密度電法的工程實例

本次高密度電法的測線沿鐵道路基平行布設(shè)兩條，長度為238m，根據(jù)高密度電法二維反演斷面圖，可以看出在測線的058～066段的較深部存在一處明顯低阻異常區(qū)域，深度約在5m～10m左右；由與之平行的二維反演斷面圖，也可以看出在058～066段的較深部位，同樣也存在一個明顯的低阻異常區(qū)，它的電阻率明顯低于其周圍的背景值。根據(jù)電法探測的解釋原則，可以推斷出該地段為一個內(nèi)部被黏土和亞黏土等軟弱物質(zhì)充填了的充填式溶洞，從而導(dǎo)致它的導(dǎo)電性增強(qiáng)，電阻率降低。也可以看出在015～163段表層5m～10m呈現(xiàn)明顯低阻，根據(jù)電法探測的解釋原則，可以推測出該地段覆蓋層較厚、深度在5m到10m左右；在015～163段，深度15m以下，存在明顯連續(xù)高阻，推斷出該地段為基巖層。在175～239段，由于該段是已經(jīng)硬化的混凝土地面，電極無法插入，為了獲取比較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，我們用黏土將電極固定在地面上，也獲得了理想的數(shù)據(jù)，地下的地質(zhì)情況在二維反演斷面上得到了良好的顯現(xiàn)。

地質(zhì)雷達(dá)探測的工程實例

本次地質(zhì)雷達(dá)探測的測線平行于高密度電法的測線布設(shè)。根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測的解釋判定原則，由地質(zhì)雷達(dá)顯示的二維斷面圖，可以看出在258～335段，雷達(dá)反射波突然衰減，可以推測出地下可能存在充填溶洞，由時深轉(zhuǎn)換公式可以計算出溶洞底部較深，可能達(dá)到10m以上；圖像中也可以看出在測線的0～800段反射波連續(xù)性較好，因此可以推斷該段覆蓋層較厚，深度在5m～10m左右。

兩種方法探測效果的對比研究

通過分析，對地質(zhì)雷達(dá)探測和高密度電阻率法的充填巖溶洞穴的圖像異常特征，需要說明的是，由于鐵道路基施工的不同地段存在對地質(zhì)雷達(dá)法和高密度電法數(shù)據(jù)采集的干擾因素，會對數(shù)據(jù)采集質(zhì)量造成了不同程度的影響，降低探測精度，隧道里面數(shù)據(jù)采集時不斷有大型機(jī)械工作以及襯砌鋼架都會影響采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，因此，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的時候，要避開大型機(jī)械施工的時段，把這些影響因素減少到最低。

結(jié)語

通過使用高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)法對將要進(jìn)行鐵道路基施工的同一地段進(jìn)行探測，并對所測得的數(shù)據(jù)在室內(nèi)進(jìn)行了處理和解釋，我們通過沿測線布置一定數(shù)量的鉆孔，鉆孔的成果與高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)法的解釋成果具有高度的一致性，兩種方法均得到了良好的探測效果。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.055