電磁波CT技術在覆蓋型巖溶地區地質勘察中的應用

王　俊

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京　100055)

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電磁波CT技術在覆蓋型巖溶地區地質勘察中的應用

王俊

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京100055)

Application of Electromagnetic Wave CT Technology in Geological Investigation of Covered Karst Areas

WANG Jun

摘要覆蓋型巖溶地區地質勘察，一般要求對橋梁墩臺開展逐樁鉆探，昂貴的勘探成本給鐵路勘察設計工作帶來巨大的經濟負擔。以某城際鐵路高架車站為例，詳細闡述電磁波CT物探技術在地質勘察過程中的應用，其與鉆探相互印證且效果良好，對指導后期設計施工有較高的實用價值。

關鍵詞覆蓋型巖溶電磁波CT技術綜合勘探

巖溶地區地質條件相當復雜，選用勘探方法時應注意其適用條件，且應采用多種勘探手段互相補充、相互驗證，以提高勘探效果[1]。應采用物探，并與鉆探、挖探、測試等相結合的綜合勘探方法，對橋基應根據基礎類型及巖溶發育程度，每個墩臺應布置1～5個勘探點，柱樁宜每樁一孔，摩擦樁每個墩臺不宜少于2孔[2]。選擇合適的勘探方法，在節省勘探工作量的基礎上查明工程、水文地質條件，成為當前巖溶地區鐵路勘察設計過程中的一個重難點。

目前，電磁波CT技術在各類工程建設領域的巖溶探測方面有了較多的應用，但大多未真正指導實踐[3-13]。以某城際鐵路高架車站為例，詳細探討電磁波CT技術在覆蓋型巖溶地區地質勘察中的應用適宜性，為后期設計施工提供詳實可靠的數據支撐。

1方法原理

電磁波層析成像技術(CT)是利用電磁波透射觀測體，并通過計算機層析成像技術來探測物體內部結構的一種新興技術[14]。電磁波物探勘察是基于地下介質的物電性差異，利用各種波源透視探測地質目的體的一種地球物理方法。

電磁波法是利用無線電波(工作頻率0.5～32 MHz)在兩個鉆孔中分別發射和接收，根據不同位置上接收的場強大小，來確定地下不同介質的分布情況[15]。當電磁波通過不同的地下介質(如各種不同的巖石、礦體及溶洞、破碎帶等)傳播時，由于不同介質對電磁波的吸收存在差異，如溶洞、破碎帶等的吸收系數比其圍巖的吸收系數要大得多，在溶洞、破碎帶背后的場強也就小得多，從而呈現負異常。可以利用這一差異推斷目標地質體的結構和形狀。吸收系數的計算公式如下

βs=1/R(ln(E*/E)+2lnr-3lnR)

式中R——發射機與接收機之間的距離；

r——兩個鉆孔之間的水平距離；

E*——儀器有效輻射常數；

E——儀器實際觀測值。

2應用實例及其效果檢驗

2.1工程概況

某城際鐵路高架車站勘察區地層巖性：上覆第四系人工填筑層(Q4ml)、第四系全新統沖洪積層(Q4al+pl)，下伏基巖為泥盆系上統帽子峰組(D3m)粉砂巖，泥盆系上統天子嶺組(D3t)石灰巖。本次勘察在總結分析高架車站區域地質條件的基礎上，選取其中4個承臺作為應用實例，共布置2條物探剖面。承臺、樁基及物探剖面平面布置情況見圖1。

圖1　承臺、樁基、物探剖面平面布置示意(單位：mm)

2.2應用過程

本著鉆探、物探相結合的綜合勘探原則，對7A-1、7A-4、7C-2、7C-4、12A-1、12A-4、12C-2、12C-4共8根樁基進行鉆探，以掌握4個承臺的整體巖溶發育程度，鉆進深度按鉆至溶洞底板完整基巖不小于10 m控制。同時要求7A-1、7C-2、12A-1、12C-2鉆孔終孔孔徑不小于108 mm，終孔后全孔下入直徑不小于89 mm的PVC管，并將上述鉆孔作為物探試驗孔。

圖2　7C-2—7A-1、12C-2—12A-1鉆探橫斷面示意

圖2為7C-2—7A-1、12C-2—12A-1鉆探橫斷面示意，橫斷面間距均為16.375 m，圖2中數據信息均以高程標示。如圖2所示：7C-2鉆孔基巖面高程-4.81 m，基巖面附近發育一個小溶洞，溶洞揭露高度為0.68 m，溶洞底板高程-6.02 m，終孔高程-16.17 m；7A-1鉆孔基巖面高程0.02 m，基巖面附近同樣發育一個小溶洞，溶洞揭露高度為1.28 m，溶洞底板高程-2.54 m，終孔高程-12.58 m。12C-2鉆孔基巖面高程-0.82 m，基巖面以下發育三個小溶洞，溶洞揭露高度分別為0.81 m、2.49 m和1.91 m，溶洞最深底板高程-15.70 m，終孔高程-25.80 m。12A-1鉆孔基巖面高程2.06 m，基巖面以下同樣發育三個小溶洞，溶洞揭露高度分別為3.26 m、4.55 m和1.85 m，溶洞最深底板高程-24.66 m，終孔高程-32.92 m。從承臺整體巖溶發育程度來看：CT1、CT2溶洞均在基巖面附近發育且洞徑較小，靠7C-2的一側相比靠7A-1的基巖面及溶洞底板高程要深3～5 m；CT3、CT4溶洞較為發育，基巖面以下發育3個且洞徑一般大于1 m，個別甚至接近5 m，靠12C-2的一側相比靠12A-1的基巖面高要深約3 m，但最深溶洞底板高程卻要淺將近9 m。CT1、CT2與CT3、CT4的巖溶發育程度有所差異，正好體現出物探剖面布置的適宜性及其意義。本次物探采用儀器為EW-1A型電磁波透視儀，選取8 MHz頻段為主要工作頻率，發射機與接收機工作點間距為1 m，電磁波CT成像采用中國地震局地球物理研究所研發的軟件進行計算和處理，圖3與圖4即為兩個物探剖面的最終成果，圖中X軸為距離、Y軸為深度。吸收系數是一個相對概念，在資料解釋時，每個剖面需要采用不同的吸收系數來確定異常：對于7C-2—7A-1剖面，將吸收系數≥0.692的區域定為透視異常；對于12C-2—12A-1剖面，將吸收系數≥0.628的區域定為透視異常。

圖3　7C-2—7A-1物探剖面成果

圖4　12C-2—12A-1物探剖面成果

7C-2—7A-1剖面物探解譯結果：距7C-2側，距離在4.3～10.7 m、高程在-9.7～-6.2 m范圍發育一溶洞；距7A-1側，距離在0～5.8 m、高程在-6.2～2.8 m范圍發育一溶溝、溶槽且與覆蓋層連通；兩鉆孔間高程2.8 m以上為覆蓋土層或溶槽充填土層。12C-2—12A-1剖面物探解譯結果：距12C-2側，距離在0～11.7 m、高程在-19.3～-9.9 m范圍發育一溶洞；距12A-1側，距離在0～5 m、高程在-20.3～-14.9 m范圍發育一溶洞，高程在-6.3～-1.3 m范圍發育一溶溝、溶槽且與覆蓋層連通；兩鉆孔間高程-6.3 m以上為覆蓋層土層或溶槽充填土層。

2.3效果檢驗

首先，取CT1和CT2中7C-4、7A-4以及CT3和CT4中12C-4、12A-4鉆孔進行驗證，4個鉆孔雖然相距剖面3.75 m，但卻具備重要的參考價值。鉆探揭露情況：7C-4基巖面高程0.65 m，高程-6.35～-8.78 m范圍發育一溶洞，溶洞揭露高度1.43 m，終孔高程-18.85 m；7A-4基巖面高程1.40 m，高程0.85～-0.20 m、-2.07～-3.60 m范圍發育兩個溶洞，溶洞揭露高度分別為1.05 m和1.53 m，終孔高程-13.86 m；12C-4基巖面高程-0.01 m，高程-1.52～-2.03 m、-3.60～-6.35 m、-7.11～-7.71 m范圍發育三個溶洞，溶洞揭露高度分別為0.51 m、2.75 m，終孔高程-23.10 m；12A-4基巖面高程0.43 m，高程-1.82～-2.12 m、-2.75～-3.47 m、-14.76～-16.41 m、-16.99～-19.07 m、-21.82～-22.91 m范圍發育5個溶洞，溶洞揭露高度分別為0.3 m、0.72 m、1.65 m、2.08 m和1.09 m，終孔高程-30.98 m。

驗證效果：7C-4、7A-4鉆孔基巖面高程接近1 m，相比物探解譯結果要深2 m左右，原因可能為薄層頂板尚未徹底溶蝕所致，7C-4鉆孔的溶洞揭露情況基本與物探解譯結果相吻合，僅最深溶洞底板高程略淺約1 m，7A-4鉆孔揭露溶洞位置整體高出，與物探解譯結果不匹配；12C-4、12A-1鉆孔基巖面高程基本與與物探解譯結果相吻合，僅部分薄層底板、隔板溶蝕殘余。12A-4鉆孔的溶洞揭露情況也基本與物探解譯結果相吻合，僅最下部1.09 m溶洞有些許偏差。12C-4鉆孔溶洞底板雖按15 m完整基巖控制，但在-7.71 m高程以下卻未發育溶洞，與物探解譯結果不匹配。

其次，考慮到前期鉆探摸查與物探布置試驗的不相匹配情況，以及巖溶發育程度對橋梁樁基設計的指導作用，后期補充7A-3、12A-2、12A-3共3個鉆孔進行勘探繼續驗證。上述3孔的鉆探揭露情況為：7A-3基巖面高程0.64 m，高程-0.81～-2.95 m、-9.53～-12.58 m范圍發育兩個溶洞，溶洞揭露高度分別為2.14 m和3.05 m，終孔高程-22.69 m。12A-2基巖面高程0.34 m，高程-0.86～-1.26 m、-2.26～-2.76 m、-3.26～-6.46 m、-11.56～-12.96 m、-13.26～-14.56 m、-15.26～-21.36 m范圍發育6個溶洞，溶洞揭露高度分別為0.4 m、0.5 m、3.2 m、1.4 m、1.3 m和6.1 m，終孔高程-22.69 m。12A-3基巖面高程-0.35 m，高程-2.22～-5.35 m、-20.30～-22.72 m范圍發育兩個溶洞，溶洞揭露高度分別為3.13 m和2.42 m，終孔高程-30.90 m。

驗證效果：7A-3鉆孔的溶洞揭露情況彌補了7A-4鉆孔與物探解譯結果的不匹配性，同時彌補了7C-4鉆孔在溶洞揭露最深部位深度上的不足，但最深處溶洞底板高程相比物探解譯結果還要深3 m左右，比7C-4鉆孔深約2 m，說明7A-3鉆孔勘探驗證效果良好且十分必要；12A-2、12A-3鉆孔揭露的巖溶發育情況與12A-1、12A-4兩孔相近，彌補了12C-4鉆孔與物探解譯結果的不匹配性，勘探驗證效果同樣良好。

3結論與建議

通過前期鉆探與物探試驗，以及后期鉆探的再驗證，得出結論和建議如下：(1)巖溶地區地質條件復雜，巖溶發育規律難以在細節上查明，為更好更詳盡地指導設計施工，選擇鉆探與物探相結合的綜合勘探手段，具有重要的實用性意義；(2)縱觀各個環節的驗證情況，鉆探與物探相互印證，驗證效果良好，電磁波層析成像技術在覆蓋型巖溶區地質勘察過程中得到了較好的應用；(3)物探解譯仍然存在一定偏差，在刻畫基巖面、溶洞頂底板、溶洞揭露高度等關鍵部位信息上不如鉆探直接、準確；(4)7C-2—7A-1剖面剩余7C-1、7A-2未鉆探，但7C-1孔的溶洞揭露情況用7C-2、7C-4、7A-4三孔進行推斷即可，7A-2孔的溶洞揭露情況用7A-3、7A-4兩孔進行推斷，最深溶洞底板高程參考物探解譯成果-6.2 m進行控制即可，靠7A-1側巖溶發育程度確實比靠7C-2側低；(5)12C-2—12A-1剖面僅剩12C-1未鉆探，但12C-1孔的溶洞揭露情況用12C-2、12A-3兩孔進行推斷即可，同時最深溶洞底板高程參考物探解譯成果-19.3 m進行控制；(6)物探試驗在一定程度上節省了鉆探工作量。

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中圖分類號：P631.3+22； P642.25

文獻標識碼：B

文章編號：1672-7479(2016)01-0059-03

作者簡介：王俊(1986—)，男，工程師。

收稿日期：2015-12-14