采空區及巖溶探測方法技術探討

劉　劍

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢430063）

采空區及巖溶探測方法技術探討

劉劍*

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢430063）

查明采空區和巖溶在地下的分布情況，對鐵路線路方案及后期施工具有重要指導意義。通過分析采空區和巖溶的地球物理特征，發現采空區與巖溶區往往表現為低阻異常。針對不同地質背景、地電條件以及探測深度要求，將低頻地質雷達方法、高密度電法及高頻大地電磁法應用于工程實際當中，分析了3種方法的有效性及探測效果，總結出一套實用且效果良好的采空區和巖溶探測技術。實際工程應用結果表明，低頻地質雷達方法適用于探測埋深小于30m的目標體，高密度電法對埋深小于50m的采空區探測效果良好，高頻大地電磁法對埋深大于50m的巖溶探測異常明顯、可靠。

采空區；巖溶；低頻地質雷達；高頻大地電磁法

鐵路選線階段，地下采空區、巖溶發育區對線路方案往往具有重大影響，需要根據采空區或巖溶發育情況決定是否繞避或采取工程補強措施。由于很多采空區尤其是私采亂掘地區難以收集到完整開采資料，巖溶發育區往往也較復雜，因此必須查明在地下的分布情況。采空區的空間形態相對較為規則，而巖溶在地下的分布形態相對復雜，如以溶槽、溶洞等形態賦存，但就地球物理探測角度而言，采空區與巖溶具有類似的電性特征，因為采空區或巖溶發育區往往裂隙發育，容易匯集地下水，因此電性上往往表現為相對低阻，從而為利用電（磁）法探測此類地下空洞奠定了基礎。針對采空區或巖溶探查，需要根據地質背景資料、探查深度等要求選用對應的物探方法，本文基于低頻地質雷達方法、高密度電法以及高頻大地電磁法說明在工程實際中的應用效果。

1　低頻地質雷達方法［1-2］

探地雷達是以寬頻帶、短脈沖的電磁波由地面向地下發射，當遇到電性差異的地下地層或目標體便反射回地面，通過對地下反射回來的電磁波信號進行處理與分析，便可確定地下界面或地質體的空間位置及結構。常規地質雷達目前以主要用于混凝土結構無損檢測，頻率范圍在400～2000MHz之間，探測深度一般為0.05～2m。對于施工階段較淺部的路塹巖溶探測，頻率范圍在100～400MHz之間，實際探測深度小于5m。隨著近幾年超低頻地質雷達的面世，使得勘探深度可達數十米，由于其具有勘探深度大、縱橫向分辨率高、工作效率高等優勢，很多情況下甚至可以取代常規電法，具有廣闊的應用前景。圖1即為長益常城際鐵路某特大橋DK47+890～DK47+910段的雷達探測成果圖，采用20MHz發射天線，該段地表為粉質粘土，層厚3～4m，下部為強風化泥灰巖，厚約8～10m，基巖為泥灰巖。分析圖1可知，綜合電磁波速度取0.11m/ns，在200ns（1#異常）及520ns（2#異常）附近，對應大致深度分別為8.6～13m和23～29m，雷達波反射相位突然由水平發生錯斷，分布紊亂，反射振幅變大能量增強，推測為巖溶發育區，后經鉆孔揭示10.3～13m為巖溶空洞，驗證了1#異常的存在。

圖2為武漢市某小區地下人防空洞低頻雷達探測成果圖，抗日戰爭時期，因戰事需要曾在小區所處的山體中修筑防空洞，因年代久遠已無法確定防空洞具體位置，需要探明其進口位置。該別墅小區規模不大，環境幽靜，無電纜電線干擾，適合于采用低頻雷達進行探測。現場采用15MHz發射天線，測點點距1m。分析圖2可知，雷達圖像顯示表層層位明顯，且對深部層位也有較細致的反映，在18～24m之間地質雷達剖面上存在明顯的反射波異常，經估算波速得到深度約11m左右，后經小區外側側向鉆孔到該異常處附近時，鉆孔漏水嚴重，無法取芯，推測為防空洞位置。

2　高密度電法［3］

圖1　DK47+890～910段低頻雷達探測成果圖

圖2　武漢某小區防空洞低頻雷達探測成果圖

高密度電法方法原理與常規直流電法相同，具有工作效率高、數據量大、地電信息豐富以及分辨率高的優點，適用于地形較平坦、接地條件良好地區的淺層勘探。昆明軌道交通6號線地鐵線路從人民路延長線下方穿越，測線位于人民路延長線某邊坡的二級臺階上，測線與6號線（已運營）線路方向斜交。該區表層為第四系粘土、粉質粘土層，下伏基巖為泥質砂巖、鈣質粉砂巖等，測線114～129m段曾經出現數次塌陷，且塌陷范圍逐漸擴大，由于塌陷區正好位于地鐵隧道上方及人民路旁側，嚴重威脅地鐵運營及人民路過往車輛安全，為了查明塌陷影響范圍，采用高密度電法勘探，極距3m。測線里程99～129m段明顯存在一“漏斗狀”的低阻異常，異常底部位于隧道頂部附近，與后期鉆孔結果吻合，為后期工程整治設計提供了科學依據。

3　高頻大地電磁法

高頻大地電磁法是利用宇宙中的太陽風、雷電等入射到地球上的天然電磁場信號作為激發場源，其產生的平面電磁波垂直入射到大地介質中，根據Maxwell電磁場理論［4-5］，大地介質中將會產生感應的電場和磁場，計算電場和磁場的比值即可獲得波阻抗，然后利用頻率與阻抗的關系進一步計算出對應的深度。一般而言，高頻信息主要反映淺部介質的電性特征，低頻信息主要反映相對深部介質的電性特征。因此，在一個寬頻帶上觀測電場和磁場信息，可以獲得隨深度變化的電阻率值，從而利用這種電性差異來判斷是否存在異常。某高速公路玉園隧道YK124+700～YK125+200段上覆第四系土層主要坡積層，下伏基巖為侏羅系梨山組粉砂巖、砂巖以及棲霞組灰巖，呈構造接觸關系。洞身里程YK124+777附近兩側電阻率值差別明顯，推測存在不同巖性的分界，傾向小里程方向，巖性分界左側為砂巖，右側為灰巖，巖性分界地表位置與區域地質圖中構造位置一致。此外，根據YK124+ 800～YK125+200段洞身附近電阻率等值線分布特征，推測存在4處巖溶異常，分別編號為1、2、3、4。后期針對1、2、3號異常布置編號分別為隧16、隧12和隧15三個鉆孔，1號異常在90.2m（標高391.16m）深度開始見溶洞，厚5.6m，局部充填粉質粘土。2號異常于53.3m（標高392.32m）深度開始見一厚達73m的巨型溶腔，充填物為流塑—軟塑—可塑狀粉質粘土，以及深度128.1～137.6m之間存在一厚達9.5m的空洞。3號異常于17.8m（標高396.52m）深度開始見一厚達12.7m的溶洞，且52.9～57.5m深度、66.5～67.2m深度均存在溶洞。4號異常未布置鉆孔，地表局部灰巖出露，溶蝕現象明顯。

4　結論

（1）低頻地質雷達方法適用于電磁干擾弱、接地條件差、探測深度小于30m的路基巖溶、采空區探查，效果良好。

（2）接地條件良好、探測深度小于50m時，采用高密度電法探測采空區效果良好。

（3）探測深度大于50m的弱電磁干擾區，高頻大地電磁法探測巖溶效果良好。

［1］崔德海.超低頻地質雷達在地形起伏地段路基巖溶勘探中的應用研究［R］.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，2012.

［2］張勁松，趙育剛，王夢茹.低頻地質雷達深層探測分析［J］.地球物理學進展，2010（5）：1848-1855.

［3］劉曉東.高密度電法在工程物探中的應用［J］.工程勘察，2001 （4）：64-66.

［4］A.A.Kaufman，G.V.Keller.頻率域與時間域電磁測深［M］.王建謀，譯.北京：地質出版社，1987：221-240.

［5］姜鷹，曹哲明，劉鐵.高頻大地電磁法在宜萬鐵路隧道巖溶的應用［J］.工程地球物理學報，2006（3）：207-210.

Research of Method and Technology to Detecting Goaf and Karst

LIU Jian
（China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，LTD，Wuhan Hubei 430063，China）

It is of great guiding significance to identify the distribution of underground gob and karst in the pre-plan and post-construction process of railway project.By analyzing their geophysical characteristics，goaf and karst are found to exhibit low resistivity anomaly.According to different geological background，geoelectric conditions and exploration depth，three methods:low-frequency GPR，high density resistivity and Hi-frequency MT method are adopted in engineering practice.Thus，a set of practical and effective detection technology is worked out to detect the goaf and karst based on the effectiveness and validity of these methods.The results of practical application show that low-frequency GPR method is applied to object at a buried depth less than 30m，Hi-density resistivity method is effective to detect goaf less than 50m deep，and Hi-frequency MT method is most distinct and reliable for exploring the karst buried more than 50m depth.

Goaf；Karst；Low-frequency GPR；Hi-frequency MT

P631.3

A

1004-5716（2016）06-0186-03

2016-02-18

2016-02-25

劉劍（1983-），男（漢族），湖南永州人，工程師，現從事工程物探研究與應用工作。