跨孔電磁波CT在濟南某超高層勘察工程中的應用

熊輝，馬玉飛，何巧靈

(濟南市勘察測繪研究院，山東 濟南 250101)

1 引 言

隨著人類建設的不斷擴張，地上空間日趨飽和，工程建設轉向地下發展，向地下要空間，我們需要面對大量的與巖體相關的工程地質問題。石灰巖地區最典型的工程地質問題就是巖溶問題，巖溶對地基的穩定性影響巨大[1～3]。因此工程上查明基底下巖溶的分布及其性質尤為重要。目前查明巖溶分布的常用方法有鉆探、鉆孔電視、管波探測[4]、地質雷達[5]、高密度電法[6]、瞬變電磁法[7]等。近年來，基于醫學層析成像(CT)原理的地球物理層析成像技術以其成像精度高，成本小且操作方便的優點在工程中的應用越來越廣泛，本文采用跨孔電磁波CT技術反演計算構建兩鉆孔之間的地質結構圖像，從而解譯兩鉆孔之間的巖溶分布情況。

2 工作原理

電磁波CT法是利用無線電波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的大小，來確定地下不同介質分布的一種物探方法。根據電磁波理論，在射線光學近似下，耗散介質中的發射的場強與接收的場強存在下述關系[8]：

(1)

式中：E為接收點的場強值；

E0為發射點的場強值；

β為吸收系數，即介質中單位距離對電磁波的吸收值；

f(θ)為收發天線的方向因子函數；

r為發射與接收點之間的距離。

由式(1)可以看出，當電磁波通過不同的地下介質傳播時，由于不同介質對電磁波的吸收存在差異[9]，吸收系數越大，從而接收到的場強值越小，因此吸收系數大的介質背后接收到場強較小，呈現負異常現象，如“陰影”一般，運用這一解譯方法可推斷目標地質體的結構和形狀。總體來說，土層、飽水或充泥溶洞的電磁波吸收系數較大，破碎巖體、小規模巖溶裂隙的電磁波吸收系數次之，較完整巖體的電磁波吸收系數最小[10]。

3 工程實例

3.1 工程概況

根據鉆孔揭示情況，未發現連續成規模發育的溶洞，鉆孔見洞隙率為54%，線巖溶率為5.5%，洞隙高度 0.3 m～ 4.4 m，均為充填型巖溶洞隙，充填物為硬塑黏土、或含碎石黏土，充填物較密實，巖溶發育程度屬中等發育。

3.2 工作方法

本次跨孔電磁波CT探測使用岳陽奧成科技有限公司生產的HX-JDT-02B型井下無線電波透視儀，主要由鉆孔發射機(探管)，鉆孔接收機(探管)，地面控制和數據采集器(收、發各一)，天線及其輔助設備，充電器等組成，可以跨孔方式探測鉆孔間的剖面。

根據場地內鉆孔揭示的巖溶發育情況共選取7個鉆孔、6孔對進行電磁波CT測試。其鉆孔位置如圖1所示，CT1剖面長度 24 m，CT2剖面長度 51.2 m。

圖1 電磁波CT剖面圖位置圖

4 數據解譯及驗證

4.1 數據解譯

如圖2所示，整個CT1剖面視吸收率值變化較明顯，上部基巖視吸收率值較大，向下視吸收率值逐漸減小。標高在 120 m以上區域視吸收率值較高，吸收系數一般大于 0.5 DB/m，結合現場鉆探資料，判斷該區域溶蝕裂隙較發育，巖體較破碎。標高 120 m以下區域視吸收率值相對較低，表明該區域巖體整體相對較完整，僅存在兩處物探異常區，其視吸收率值較高，吸收系數大于 0.5 DB/m，結合現場鉆探資料，判斷異常區域可能為巖溶裂隙或局部巖體破碎，為巖溶發育的可能性較小。

圖2 CT1剖面反演圖

如圖3所示，整個CT2剖面視吸收率值變化較明顯，上部基巖視吸收率值較大，向下視吸收率值逐漸減小。結合鉆探資料，上部區域視吸收率值較高，吸收系數一般大于 0.5 DB/m，判斷該區域溶蝕裂隙較發育，巖體較破碎；鉆孔A32處視吸收率值較低，吸收系數一般小于 0.3 DB/m，判斷該鉆孔處巖體較完整，無明顯巖溶發育。下部區域視吸收率值相對較低，表明該區域巖體相對較完整，僅存在三處物探異常區，其視吸收率值較高，吸收系數大于 0.5 DB/m，結合鉆探資料，判斷異常區域可能為溶蝕裂隙或巖溶洞隙發育，推斷其沿層間裂隙及構造裂隙發育，可能形成“土石相間”的情況，充填物為硬塑黏土或黏土混碎石。

圖3 CT2剖面反演圖

4.2 開挖驗證

基槽開挖至基巖表面時，可見基巖表層巖體較破碎(如圖4所示)，土石相間，局部溶溝、溶槽較發育(如圖5所示)，與跨孔電磁波CT反演結果基本一致。

圖4 基巖表面巖體較破碎

圖5 基巖表面溶溝溶槽發育

5 結 論

(1)上部基巖視吸收率值較大，溶蝕裂隙較發育，巖體較破碎。下部區域視吸收率值相對較低，巖體相對較完整，下部局部視吸收率值較高，可能為溶蝕裂隙或巖溶洞隙發育。

(2)跨孔電磁波CT法反演結果與鉆孔資料及開挖揭露情況基本一致，可準確直觀地反映兩鉆孔間巖溶的分布情況，在巖溶勘察中得到了很好的應用，該方法具有準確、經濟的特點，在工程地質勘察中具有廣闊的應用前景。

(3)跨孔電磁波CT法探測面比鉆探探測面更廣，探測結果可作為鉆孔間地層分布的補充。