綜合物探方法在巖溶探測中的運用分析

劉志亮，田江環，張詔飛

(廊坊市中鐵物探勘察有限公司，河北 廊坊 065000)

巖溶發育區在我國廣泛分布，灰巖等相關可溶巖長期受地表水和地下水的溶蝕作用，形成各種類型的巖溶或破碎帶，極大的威脅著施工安全。在巖溶區進行工程勘察需要查明對建筑物場地及地基有影響的巖溶發育規律及其空間展布情況，為以后的設計、施工提供基礎資料。

本文基于工程實際，運用高密度電法、電磁波跨孔CT、彈性波跨孔CT等多種方法對巖溶發育的隧道進行了勘探，結合鉆探資料對各方法的裝置類型和效果進行了一定的對比分析。

1 方法原理

1.1 高密度電法

高密度電法是一種陣列式的勘探方法，以不同介質導電性差異為基礎，通過研究人工電流場作用下地下傳導電流的分布規律。現場探測只需將全部電極置于觀測剖面各測點上，利用電極轉換裝置和高密度設備就可實現數據的快速、自動采集。高密度電法工作系統如圖1所示。

圖1 野外工作布置示意圖

1.2 電磁波CT法

通過探測不同地質體對電磁波的吸收強弱差異來確定地下介質的分布情況。較完整、完整的圍巖等中高阻的介質對電磁波的能量吸收較小，而溶洞(槽)和土層對電磁波能量吸收較強，當溶洞(槽)和土層位于接收機和發射機中間時，呈現出吸收型的陰影異常(吸收系數為高值)。依據陰影異常(吸收系數高值)利用計算機處理成圖，確定溶洞(槽)和土層空間位置。電磁波CT野外工作系統如圖2所示。

圖2 電磁波CT野外工作系統

1.3 彈性波CT法

根據孔間彈性波走時長短或衰減大小構成地震CT圖像，反映各類巖土體的分布界限及巖體的破碎程度。彈性波CT在兩個鉆孔之間開展，以其中一個鉆孔作為發射孔，在發射孔中按照一定的間距發射高頻的彈性波，而另一個鉆孔作為接收孔，接收孔中以一定的間距接收彈性波，根據發射孔中每個發射點，接收孔中全孔接收，應用交叉網狀射線來穿透兩孔間的巖土，根據拾取到得到的各發射點至每個接收點的彈性波走時、幅度，進行數據計算，反演出兩個鉆孔間的波速圖像。彈性波CT野外工作系統如圖3所示。

圖3 彈性波波CT野外工作系統

2 工程案例分析

2.1 地質及地球物理特征

目的任務：查明鐵路隧道上溶洞發育范圍、規模、形態；查明下伏基巖完整性。

地質概況：表層主要為第四系粉質粘土、細圓礫土，下伏奧陶系灰巖，溶洞發育。

地球物理特征：溶洞具有相對低電阻率，高電磁吸收系數，低縱波速度。詳見表1。

表1 巖洞地球物理特征

2.2 方法布置

本次探測在鐵路隧道線路布置高密度電法測線1條，布置CT剖面7個，選擇成孔條件較好的孔作為激發孔，根據道數和道間距，每剖面分兩排列進行電磁波CT和彈性波CT探測。物探布置圖具體見圖4。

圖4 物探布置平面圖

2.3 探測成果分析

(1)沿鐵路線路布置高密度測線，溫納裝置，5 m電極距，水平距離600 m。高密度電法剖面面所示，圖中有2處低阻異常。推斷斷層1處，溶洞1處。其中斷層小里程為片巖，大里程為灰巖。

(2)其中2-8-4跨孔CT剖面：8號孔標高范圍478.1～485.5 m段，衰減率△=0.28～0.35，縱波速度Vp=1 000～1 600 m/s，結合鉆孔資料分析為巖溶，平均厚度在5.6 m。兩孔間溶洞貫通狀態為：從8號向2號方向延伸8.1m左右封閉，從8號向4號方向延伸6.8 m左右封閉。下伏基巖埋深大，衰減率較小，巖體破碎～較破碎。

經過鉆孔ZK8號孔揭露23.4～31.7 m深度范圍內為溶洞，底部填充部分為粉質黏土，與高密度電法和電磁波CT、彈性波CT異常范圍基本吻合。

高密度電法剖面見圖5，跨孔CT剖面見圖6。

圖5 高密度電法剖面圖

圖6 跨孔CT剖面圖

3 方法分析

通過不同物探方法和參數試驗，經鉆孔揭露驗證，得出以下各方法的優缺點及運用的條件，見表2。

表2 三種物探方法的優缺點對比

4 結語

(1)通過應用高密度電法、跨孔彈性波CT和跨孔電磁波進行探測成像，能夠基本查明線路所處圍巖的工程地質結構，并在此基礎上圈定重點溶洞范圍和形態發育。

(2)在巖溶發育地區進行工程勘察，依據地面物探布置鉆孔進行驗證后，合理布置跨孔CT工作，結合地質資料分析跨孔CT測試成果，可以彌補工程鉆探的局限性，能夠較為準確的探測具有一定規模的未知的溶洞、破碎帶。

(3)在鐵路、公路等線路勘察過程中對應不同類型的巖溶，需要研究不同物探方法施工參數、數據處理參數的選擇，建立不同地區巖溶的地球物理模型，針對不同巖溶類型得到最優的探測方法和參數。