武漢軌道交通巖溶探測技術應用研究

杜惠光

(長江地球物理探測(武漢)有限公司，湖北 武漢 430010)

在國家大力發展公共交通戰略的引導下，我國城市軌道交通工程建設已邁入快速發展期。很多城市的軌道交通工程基礎都不可避免地會建設在巖溶發育的灰巖區，如不查明巖溶的發育及其分布情況，必會成為工程安全的重大隱患。

目前，國內多個城市交通建設項目中針對巖溶探測進行了多種物探方法的嘗試，其中，杭州西湖周邊巖溶區選取高密度電法為基本勘察方法；大連地鐵2號線選取高密度電法、地質雷達、超高密度跨孔電阻率CT進行巖溶綜合探測；廣州市金沙洲使用綜合物探方法為城市巖溶處理提供依據。武漢市近年來也開始了大規模的城市軌道交通建設，已建和在建的多條地鐵線路均不同程度存在巖溶問題。需要針對武漢地區地質條件選取一套快速、經濟、有效的巖溶探測技術方法體系，為武漢市軌道交通建設保駕護航。

1 地質條件及探測要求

武漢市總體的地形為北高南低，以丘陵和平原相間的波狀起伏地形為主，中南部以長江和漢水沖積平原為主，地形平坦開闊，總體地貌形態由剝蝕堆積壟崗區過渡為沖洪積區，地面標高一般在21.6～26.8m。武漢地區第四系一般為：雜填土、黏性土、粉細砂、中粗砂；碳酸鹽基本為厚層第四系地層所覆蓋，部分為巖層所掩埋，為覆蓋型和埋藏型巖溶區。在平面上自北向南分布有6條走向NWW-SEE的可溶巖條帶，分別為天興洲條帶、大橋條帶、白沙洲條帶、沌口條帶、軍山條帶和漢南條帶，寬度為1.3～2.8km不等。三疊系灰巖一般構成向斜、背斜的核部，石炭系和二疊系灰巖構成褶皺的翼部，其間分布有二疊系上統非可溶巖。巖溶發育類型主要有溶隙和溶洞，發育方向和強度受層面和構造控制，多沿陡立層面垂向呈溶隙形態發育，水平向連續性較差。總體屬巖溶弱-中等發育。

武漢市軌道建設重點關注建筑物結構底板以下10m范圍內溶洞的空間分布規律，并結合探測溶洞的發育情況，評價其對地鐵工程的影響，為地鐵設計與施工提供可靠地質資料。

2 巖溶探測特點及方法比選

2.1 巖溶探測特點

地下介質(巖石或土)與不良地質體(巖溶或土洞)的結構、成分及其組合形式的不同，決定了不同地質對象間存在物性差異，包括彈性波參數、電阻率、電磁參數、密度參數的差異，為物探技術的應用提供了地球物理前提；但城市環境中探測溶洞易受到強干擾，要求探測方法、探測設備、數據處理方法具備較強的抗噪能力；同時，武漢巖溶分布多為埋藏型巖溶，位于土巖結合面或之下，決定了與高速、高阻背景下的巖溶探測有所不同。土巖結合部的低阻、低速特性或者強烈的物性差異對有些探測信號是一個阻隔體，導致有效信號難以到達目標體。

2.2 方法原理

針對武漢市地質條件，在分析武漢地區軌道交通巖溶探測要求及特點的基礎上，選取了多種有效探測巖溶的物探方法進行了比選研究。其中，比選方法包括：高密度電法、彈性波CT法、電磁波CT法等。

2.2.1 高密度電法

高密度電法即高密度電阻率法，實際上是一種陣列式電法勘探方法，是指通過電極陣列排列方式來觀測人工建立的地下穩定電流場的分布規律，進而可以實現目標體探測的一種電阻率法。野外測量時，只需將全部電極(幾十至上百根)置于測點上，然后利用程控電極轉換開關和微機工程電測儀便可實現數據的快速和自動采集。當將測量結果送入微機后，還可對數據進行實時處理并給出關于地電斷面分布的各種圖示結果。其工作原理示意如圖1所示。

圖1 高密度電阻率法工作原理示意圖

2.2.2 彈性波CT法和電磁波CT法

層析成像選用了電磁波CT和彈性波CT，層析成像的理論基礎——Radon變換。彈性波CT的Radon變換式為：

式中，R—發射點到接收點間的路徑；x—為探測區域介質的慢度(速度的倒數)；t—測得走時。

網格化后可建立如下反演控制方程：

[D][X]=[T]

式中，D—M×N階矩陣；M—觀測次數；N—網格個數；D的元素dij是第i次觀測中傳播路徑被第j個網格截得的距離，i=1，2，…，M，j=1，2，…，N；X—N維列向量，其元素xj是第j個網格中的慢度；T—M維列向量，其元素為ti是第i次觀測走時。電磁波層析成像原理類似，不同的是接收的電磁波場強幅值。其工作原理示意如圖2所示。

圖2 彈性波CT法和電磁波CT法工作原理示意圖

2.3 方法比選

為了驗證各種方法在武漢城市軌道交通地區探測巖溶的適應性，在現場選取了溶洞較發育的區域，開展了方法比選試驗工作。

2.3.1 高密度電法

高密度電法現場試驗電極距設置為5m，共60個電極，測線長度共計295m，探測成果如圖3所示，高密度電法在野外數據采集中受城市游離電流干擾較大，雖然采取了措施，但是數值中畸變點相對較多。數據經過分析后基本可以確定基巖埋深界面，但是由于覆蓋層和土巖結合部的溶洞均為低阻反應，后經過驗證判斷基巖面比實際要深，大型溶洞反應明顯，小型溶洞無反應。

圖3 WT1-WT2′線高密度電法成果圖

2.3.2 彈性波CT法

彈性波CT法現場試驗數據采集采用全掃描觀測系統，點距設置為1m，儀器采用R24地震儀、串檢波器和大功率電火花震源，探測成果如圖4所示，彈性波CT在數據采集中受到的各種震動干擾較大，需要選擇車流量小的時間段進行數據采集，而且彈性波傳播需要水作為傳播介質，干孔中難以實施。

圖4 HQ05K-1～HQ06K-1線彈性波CT成果圖

2.3.3 電磁波CT法

電磁波CT法現場試驗數據采集同樣采用全掃描觀測系統，點距設置為1m，儀器采用JW-5大功率電磁波儀，探測成果如圖5所示，電磁波CT數據采集過程中遇到的主要干擾源是高壓電線及電磁波的繞射，前者影響的主要是淺部覆蓋層的數據，可在后期解釋中排除，后者則采用鋼套管支桶避免繞射，并且電磁波CT探測成果細部特質不如彈性波CT，但是對地下介質分布也有較好的反映。

圖5 HQ05K-1～HQ06K-1線電磁波CT成果圖

2.4 綜合分析

通過現場試驗以及探測結果的對比分析(見表1)，得到以下結論：

(1)井中方法(彈性波CT法、電磁波CT法)在探測巖溶抗噪性與分辨率上優于地面方法(高密度電法)，在城市環境中地下方法信號干擾較地面干擾小。

(2)地面方法(高密度電法)為了達到目標探測深度(30～50m)，通常需布設測線長度超過200m，且電極與水泥地面耦合存在一定的限制性。

(3)井中方法探測巖溶效果，彈性波CT法在細部特質比電磁波CT法稍好，但需要在地下水位較高地段進行探測。

表1 各方法特征分析表

綜合考慮方法的有效性、經濟性和可靠性，最終選擇采用電磁波CT法作為主要物探手段進行巖溶探測，重點部位采取鉆孔電視錄像進行驗證的探測方案。

3 應用實例

3.1 工作布置

以武漢市軌道交通陽邏線(21號線)工程巖溶專項勘察為例。按規程、規范要求，采用鉆探與物探相互結合的綜合手段對場區巖溶發育特點進行分析，重點探查建筑物結構底板以下10m范圍內溶洞的空間分布規律，并結合探測土洞的發育情況，評價其對地鐵工程的影響，為地鐵設計與施工提供可靠地質資料。

由于采用的是鉆探與物探相互結合的綜合手段，在鉆孔位置布設時充分考慮了地鐵線路特點、施工方法、場地復雜程度，勘探鉆孔分別沿地鐵隧道左、右線外側和兩線隧道中間交錯布置勘探孔，成網格狀(如圖6所示)。原則上要求左右線外側孔位距隧道邊線外側3～5m，所有鉆孔間距控制在15～20m。要求鉆孔至少進入灰巖深度不小于25m，在此范圍內遇溶洞時，應再深入溶洞底板以下1倍洞徑的深度，且不小于6m，使之形成有效的背景場。對跨越隧洞的相鄰鉆孔均進行層析成像(電磁波CT)，形成“三縱兩折”CT剖面線，探查巖溶地層中溶洞或土洞發育情況。數據采集采用全掃描觀測系統。

圖6 鉆孔布置圖

3.2 成果與解譯

資料分析工作首先是將電磁波CT圖像與地質剖面合二為一，形成電磁波CT地質剖面成果圖(如圖7)；遵循“視吸收系數愈小、巖體性狀愈好，反之愈差”的規律，對成果圖電磁波CT視吸收系數圖像的解釋、分析要做到解釋結論與測區總的規律相統一，定量解釋與定性解釋相統一，物性解釋與客觀地質規律相統一。綜合試驗及本項目資料處理結果確定電磁波CT地質剖面視吸收系數異常。異常劃分的原則為：(1)在較完整巖體里，視吸收系數異常原則上大于等于0.4Nper/m；可能發育無充填或充填較少巖溶的地層，視吸收系數異常降至0.3Nper/m。(2)在巖體較差或土巖結合部視吸收系數比背景值大0.3～0.4Nper/m。(3)大體上以視吸收系數值0.4Nper/m為界劃分基巖較完整分界線，對泥質灰巖、泥質條帶灰巖等含泥量增加巖層而導致電磁波無法穿透的區域未劃分基巖較完整分界線，以此規律結合巖性等地質條件對CT剖面進行異常分析。

CT剖面視吸收系數異常分類，結合具體的地質、鉆孔資料，分為：土巖結合部、溶溝、溶槽，

溶洞、溶蝕，巖體完整性較差，巖性變化4個類別。

結合工程需要重點對基巖面及以下高程CT圖像及主要異常從如下三個方面進行解釋。第一，電磁波CT剖面特征，CT剖面圖像一般呈上部吸收較強，下部吸收較弱的規律；剖面上部吸收較強區大體上與較完整巖體分界線以上的覆蓋層及土巖結合部對應，下部吸收較弱區與較完整巖體分界線以下的較完整巖體對應。部分區段因泥質灰巖、泥質條帶灰巖對電磁波的強吸收等因素而未穿透，呈現整體吸收較強的特征。第二，較完整巖體分界線，根據CT成像地質剖面圖物性特征，劃分出一條較完整巖體分界線，總體隨著基巖頂板埋深起伏而相應變化，與地質上劃分的覆蓋層與基巖分界線高程偏低0～7.8m，客觀反映了土巖結合部位溶蝕現象較發育。第三，覆蓋層以下異常分布特點，從發現的大量視吸收異常中分析，在縱向上樁號14+915～CK15+015段、樁號17+110～CK17+153段存在較大溶洞溶蝕發育區；在垂向上，總體上淺部溶蝕發育強度強于深部；從視吸收異常屬性來分，其中土巖結合部異常、溶溝、溶槽占比24.7%，溶洞、溶蝕占比44.4%，巖體完整性較差占比14.5%，巖性變化占比16.4%。

為便于異常位置的確定，將電磁波剖面CT圖像中基巖界面及以下主要視吸收系數異常進行水平面投影，并對不同剖面上的相鄰異常進行適當的合并及外延(將縱剖面異常投影到水平面上，同類型異常依據水平、縱向位置的臨近性進行合并)，主要視吸收系數異常平面投影位置與CT剖面平面布置圖合二為一。

3.3 成果驗證

本勘探區地質條件復雜，物探中間成果資料解釋完畢后，首先根據已有鉆孔揭露的溶洞、巖性變化等地質原因引起的物探異常進行符合性統計，即所謂的物探事前符合性鉆孔驗證。本次工作發現的440個視吸收異常有132個與已有鉆孔揭露的吻合，余下308個異常位于鉆孔之間，另本次共完成事后符合性驗證孔23個，目的是檢驗物探資料的準確性。其中物探異常的驗證鉆孔19個，驗證異常20個，物探異常推斷，溶洞溶蝕13個，巖體完整性差2個，巖性變化3個，土巖結合部、溶槽2個；另基巖未圈定物探異常的驗證鉆孔4個。驗證結果如下：

圖7 電磁波CT剖面成果示意圖

圖8 YZK-3039物探異常(a)及鉆孔揭露(b)示意圖

(1)物探異常驗證，20個物探異常與鉆孔揭示的地質情況吻合或基本吻合。在發現異常的鉆孔相應部位都能找到對應的地質-物性差異，為四類異常中的某一類或幾類的綜合反映。

(2)物探異常推斷解釋結果驗證，20個物探異常的推斷解釋與鉆孔揭示吻合或基本吻合的14個，不吻合的6個。其中：13個推斷為“溶洞、溶蝕”物探異常驗證吻合或基本吻合有7個(如圖8)，其余6個驗證結果為5個巖體完整性較差，1個土巖結合面；從工程地質角度上講，以上6個與推斷不吻合的異常均為不良地質體，也是工程關注的重要對象；推斷的2個“土巖結合部、溶溝、溶槽”、2個“巖體完整性較差”、3個“巖性變化”與驗證結果一致。

(3)“無異常”情況驗證，全部吻合。4個基巖未圈定異常的驗證鉆孔，在基巖中未發現異常，與解釋全部一致，且物探剖面劃分的較完整基巖分界線與鉆孔驗證吻合。說明物探剖面未圈定異常的低吸收區巖體的完整性得到確認。

結合本次事后驗證及事前已有鉆孔揭露的情況發現，以樁號15+350～15+800為主的區段巖溶欠發育，造成的異常多為巖體完整性差或者性狀改變。針對這個情況對部分解釋做了相應修改。

圖8(a)中3039號物探異常深32～35m推測為溶洞、溶蝕圖8(b)鉆孔揭露深32.5～34.8m為溶洞，填充軟塑狀黏土。

4 討論

(1)通過大量的探測成果和鉆孔驗證，我們發現，盡管采用了大功率電火花及電磁波透視儀，但有些土巖結合部位的彈性波或者電磁波穿透信號仍然難以獲取。缺失的數據造成精度下降是不得不接受的客觀事實。

(2)采用電磁波CT方法，巖體含泥較重、土巖結合部、溶槽或巖體完整性較差這幾種情況異常反應一致，難以分析其異常屬性。

(3)巖溶探測問題本身也具有復雜性，巖溶充填形式的多樣性(如空洞、充泥、半充填、充水)會有不同的物性差異，對異常解釋造成一定的困難。

5 結論與展望

通過對武漢市地質條件、探測環境和要求的綜合分析，進行了系統的物探方法比選試驗工作，選擇了有效的物探方法；同時，通過對鉆孔布置和物探方法的實施和處理、數據分析進行系統化的研究，摸索出了一套快速、經濟、有效的巖溶探測技術方法體系：

(1)在方法選擇上，石炭、二疊系地層地下水位較高地段，以彈性波CT法為主，電磁波CT法為輔；三疊系地層地下水位較低地段，采用電磁波CT法；在重點部位采用鉆孔電視錄像。

(2)在數據處理與解釋中，從電磁波CT剖面特征、較完整巖體分界線、覆蓋層以下異常分布特點三個方面系統分析了巖溶發育情況，做到了全面系統的巖溶分析。

(3)物探事前符合性鉆孔驗證為數據處理與解釋提供了已知信息；事后符合性鉆孔驗證驗證了探測精度。兩者均有效驗證了CT方法在探測溶洞存在明顯的優勢。

同時，技術無止境，在很多方面仍需要進一步開展研究工作。如無充填溶洞是軌道交通巖溶探測的難點，需要開展相關的理論計算、模型試驗研究，從而找出更有效的探測手段；目前武漢市軌道交通巖溶探測大量采用CT方法，需要較多勘探孔，成本高，且易受鉆孔進度影響，發展經濟、快速、有效的地面探測方法，是城市軌道交通巖溶探測面臨的重要課題。

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