綜合物探法在復雜地質條件下建設高速公路的應用

張建忠 周曉林

摘要：貴州省仁（懷）赤（水）高速公路K77-K78+800路段從采煤區、巖溶區及破碎帶穿過，對工程存在較大的潛在危害性。工程勘查前期采用物探方法先行查清不良地質體的基本賦存狀態，根據巖溶、破碎帶、煤礦采空區及塌陷區表現的地球物理特征，選擇了綜合物探方法進行勘探，解釋判定了巖溶區、破碎帶、采空區空間賦存狀態及塌陷狀態，經鉆探工程驗證，證實了物探解釋正確，綜合物探方法有效，避免了單一物探方法的多解性和不確定性，實現了優勢互補，提高了物探解釋的可靠性，為工程勘查提供了準確、可靠的信息，為在復雜地質條件下工程勘查提供了有效的物探技術手段。

關鍵詞：電磁測深法；土壤測氡法；采空區及塌陷區；巖溶；破碎帶

Application of Integrated Geophysical Prospecting Method in Expressway Under Complicated Geological Conditions

Zhang Jianzhong1， Zhou Xiaolin1

The 102 Geological Team， Guizhou Bureau of Exploration and Development of Geology and Mineral Resources， Zunyi， 563003

Abstract： The K77-K78+800 section of the Ren Chi expressway in Guizhou Province， through the coal mining area， the karst area and the broken zone， has great potential hazard to the project. In the early stage of engineering exploration， the basic state of the harmful geologic body is identified by geophysical methods. According to karst， fracture zone， coal mine goaf and subsidence area show geophysical characteristics， chosen comprehensive geophysical methods for exploration， interpretation to determine the fracture zone， karst area， goaf spatial occurrence and collapse state， Verified by drilling engineering， it was proved that the geophysical interpretation is correct. Comprehensive geophysical prospecting method can effectively avoid the ambiguity and uncertainty of single geophysical methods， to achieve the complementary advantages， improve the reliability of the geophysical interpretation， provide accurate and reliable information for engineering exploration， is under complicated geological conditions in engineering exploration provides an effective means of geophysical technology.

Keywords： Electromagnetic sounding method， Soil radon measurement method， Goaf and subsidence area， karst， Fractured zone.

1.引言

煤礦開采形成的采空區，灰巖巖溶區及巖層破碎帶改變，破壞了地球表面和巖石圈的自然平衡，通常可能引發嚴重的地質災害，導致地表沉降、塌陷，道路裂縫，山體崩塌，建筑物損壞等結果，給社會經濟帶來極大損失[9-15]。貴州省仁（懷）赤（水）高速公路K77-K78+800路段地質條件極其復雜，穿過該區煤礦采空區、巖溶發育區及斷層破碎帶，對高速公路路基、大橋及隧道存在潛在危害性。應用綜合物探方法勘查煤礦采空區、巖溶區及破碎帶賦存狀態及規模，為高速公路防范治理及方案決策優化，提供準確、可靠、有效的信息。測區大部分地勢為海拔1000m～1100m的緩坡地，溝壑地帶地形較陡，自然條件差，工程施工條件極差。工程勘查測網采用見縫插針式的非規則測網，共布置6條測線，點距100m，見圖2。

2.地質及地球物理特征

2.1地質特征

測區出露地層有二疊系中統茅口組（P2m）灰巖地層、二疊系上統龍潭組（P3l）含煤碎屑巖系地層、二疊系上統長興組（P3c）灰巖地層、三疊系下統夜朗組沙堡灣段（T1y1）頁巖及鈣質頁巖地層、三疊系下統夜朗組玉龍山段（T1y2）中薄層灰巖夾鈣質泥頁巖地層、三疊系下統夜朗組九級灘段（T1y3）鈣質泥頁巖夾灰巖及泥灰巖地層及第四系浮土。區內構造為單斜地層構造，地層傾向西或南西，傾角15°～21°。斷層構造發育，節理裂隙發育，巖溶發育，煤系煤層基本被采空[20]。

2.2電性特征

根據周邊同類型地質層位部分測井資料統計，以地層為單位劃分物性單元，夜朗組九級灘段（T1y3）電阻率總體最低；龍潭組（P3l）電阻率比九級灘段電阻率稍高，總體為低阻；夜朗組沙堡灣段和玉龍山段（T1y1+2）電阻率總體為中低；長興組（P3c）電阻率總體為高阻；茅口組（P2m）電阻率為超高阻[21]，見表1。一般情況下，巖溶空洞及煤礦采空區（未積水或垮塌的）視電阻率值為最高。煤礦采空區松散堆積區隨塌陷狀況不同電阻率將出現較大變化，情況復雜。充填巖溶裂隙和破碎帶電阻率總體表現為低阻。由電性特征可見，各物性單元間、巖溶裂隙、采空區、破碎帶在電性上存在差異，具備電法勘探的基本條件。

2.3放射性特征

當采空區未塌陷時，形成的采空區由于致密性差，孔隙發育，放射性元素（氡氣）可不斷地在此聚集，形成氡氣的富集區，氡氣沿一定通道不斷向上運移至地表，形成氡氣高濃度異常。當采空區產生塌陷，巖層破碎帶、地表覆蓋層下塌，與塌陷區相連時，形成較發育的裂隙，對氡氣運移有利，導致氡氣保存條件變差，在地表形成氡氣濃度異常不高。而在較完整巖層處，由于巖層的孔隙及斷裂不發育，上覆地層的應力破壞較小，地層斷裂不發育，所以不利于氡的運移，因此在地表覆蓋層中形成氡氣濃度較低。由此可以根據氡氣濃度異常高低推斷采空區、采空區塌陷區、巖層破碎帶位置及范圍。由此可見，在放射性特征上存在差異，具備放射性勘探的基本條件[16-20]。

3.物探方法選擇

目前，探測巖溶、破碎帶、采空區可供選擇的物探方法較多，例如，電阻率高密度法、電阻率測深法、電阻率剖面法、高頻大地電磁測深法、瞬變電磁法、淺層地震法及土壤測氡法等。針對測區的地質特征、高壓電線干擾、采空區埋深等因素，根據掌握的物性特征，同時為降低單一物探方法解釋的多解性，提高物探解釋精度，采用了高頻大地電磁測深法和土壤測氡方法綜合物探方法進行勘查，該組合可以實現優勢互補、提高工效。

3.1高頻大地電磁測深法及EH-4儀器簡介

高頻大地電磁測深法是測量場源信號為幾百～幾萬Hz的一種勘探方法，其測量頻率很高。本次高頻大地電磁測深法勘查選用EH-4儀器。EH-4是美國著名的Geometrics公司和EMI公司聯合研制的雙源型電磁系統。EH-4作為全新概念的電導率張量測量儀，利用大地電磁的測量原理，配置了特殊的人工電磁波發射源，深部構造通過天然場源成像（MT），其信號源為（10kHz～1kHz）；淺部構造則通過一個新型的便攜式低功率發射器發射500kHz～100kHz的人工電磁訊號，補償天然信號的不足，實現了天然信號源與人工信號源的采集和處理。儀器具有以下特點：①使用人工電磁場和天然電磁場兩種組合場源；②既具有有源電探法的穩定性，又具有無源電磁法的節能和輕便性；③能同時接收和分析X、Y兩個方向的電場和磁場，反演X-Y電導率張量剖面，對判斷二維構造特別有利；④高精度反演地下0m～ 1000m的地質體的電性結構，連續的測深點陣可以組成地下二維電阻率剖面，甚至三維立體電阻率成像；⑤實時數據處理和顯示，資料解釋簡捷，圖像直觀。具有精度較高、分辨率好、不受地形的影響、快速、輕便的特點，能很好地預測煤礦采空區、溶洞、斷層等的賦存情況，適合惡劣地形條件下的煤礦采空區、公路隧道的勘探[1-8]。

3.2土壤測氡法及儀器簡介

土壤測氡法是通過測量地表土壤中氡氣元素的濃度，用氡氣濃度異常來圈定煤礦采空區、采空區塌陷區、巖層破碎帶位置和范圍的一種勘探方法，具有不受地形、地電、電磁場、探測對象埋深等條件制約，操作簡便、快捷、成本低、工作效率高的特點。本次測量使用FD-3017RaA測氡儀器，該儀器是一種瞬時測氡儀器，利用靜電收集氡衰變的第一代子體RaA作為測量對象，不存在氡射氣的干擾影響。

4.物探綜合解釋及驗證

物探綜合解釋以1號剖面為例，見圖1。在1號剖面上，從小號至大號測點依次出露地層有茅口組（P2m）、龍潭組（P3l）、長興組（P3c）、夜郎組沙堡灣段和玉龍山段（T1y1+2）、夜朗組九級灘段（T1y3），地表界線清楚。從圖1看出，在長達1800m的剖面上，地質情況比較復雜，根據反演電阻率圖形及掌握的物性特征綜合解釋，①7與8號中點至9與10號中點、13點右側至16號點左側電阻率為近似直立的低阻板狀異常，電性與兩側差異明顯，且對應RaA曲線異常，解釋為斷層破碎帶，斷層編號為WF1和WF2，破碎帶地表寬度分別為約200m、270m，WF1和WF2將剖面分割成三段，WF1與WF2之間地層略有抬升。②地表1～3號點及向右下延伸的深部高阻異常（800Ω·m～4600Ω·m）解釋為茅口組（P2m）；茅口組（P2m）之上從高向低過渡帶異常（25Ω·m～300Ω·m）解釋為龍潭組（P3l）；13號測點左側至19號測點低阻異常（5Ω·m～50Ω·m）解釋為夜朗組九級灘段（T1y3）；地表7與8號點中點至13號點右側及九級灘段之下中低阻異常（250Ω·m～400Ω·m）解釋為夜郎組沙堡灣段和玉龍山段（T1y1+2）；夜郎組沙堡灣和玉龍山段與龍潭組（P3l）之間推斷為長興組（P3c）。③7號點之下，埋深約30m～46m紅線圈定異常位于龍潭組（P3l）內，異常寬度約50m，且與RaA曲線1號異常對應較好，解釋為采空區。④13至16號點之下，埋深約226m～251m洋紅線圈定異常位于龍潭組（P3l）內，且與RaA曲線2號異常對應較好，異常寬度約310m，異常幅度比1號異常低得多，解釋為采空區松散堆積區。⑤2至4號點茅口組（P2m）內黑線圈定的串珠狀相對高阻異常解釋為巖溶發育區，異常中心埋深約108m、寬度大于200m；8號點長興組（P3c）內黑線圈定的相對高阻異常解釋為巖溶發育區，異常中心埋深約39m，寬度約100m；8號點茅口組（P2m）內黑線圈定的極低阻異常解釋為巖溶發育區，異常中心埋深約265m，寬度約100m；14號點淺部夜郎組沙堡灣段和玉龍山段（T1y1+2）內黑線圈定的相對高阻異常解釋為巖溶發育區，異常中心埋深約59m，寬度約30m；13左側至15號點深部長興組（P3c）內黑線圈定的低阻異常解釋為巖溶發育區，異常中心埋深約290m，寬度約230m；18至19號點夜郎組沙堡灣段和玉龍山段（T1y1+2）內黑線圈定的串珠狀相對高阻異常解釋為巖溶發育區，異常中心埋深約136m，寬度約110m。

通過對測區6條剖面推斷解釋，在平面圈定巖溶異常有4處，圈定斷層2條，圈定巖層破碎帶異常2處，煤礦采空區、采空區塌陷區異常各1處，見圖2。

針對綜合解釋結果，布置了ZK01（1號剖面7號點）、ZK02（1號剖面14號點）鉆探工程驗證鉆孔。ZK01鉆孔在孔深為39.50m～41.77m揭露采空區（物探解釋為30m～ 46m）。ZK02鉆孔在50.33m揭穿夜郎組九節灘段（T1y3）底板（物探解釋為49m），在189.26m揭穿夜郎組玉龍山段及沙堡灣段（T1y1+2）底板（物探解釋為194m），其中54.36m～ 64.58m為溶洞（物探解釋為52m～66m），在216.28m揭穿長興組（P3c）底板（物探解釋為219m），235.56m～244.65m（終孔）揭露采空塌陷區（物探解釋為226m～251m）。鉆探工程驗證結果證實物探定性綜合解釋結果正確，吻合度較好，分層深度相差不大，最大相差為9.56m。

5.結論

（1）選擇放射性RaA法和高頻大地電磁測深法綜合物探方法探測一定深度的巖溶區、破碎帶、采空區空間賦存狀態及塌陷區現狀，其方法是可行有效的，克服了任何單一的物探方法所具有的局限性，實現了優勢互補，降低了物探解釋的多解性，提高了物探解釋的可靠性，為高速公路工程勘查、設計、施工提供了準確、可靠、有效的信息。

（2）通過一定數量鉆孔進行物探異常驗證，鉆孔揭露的相應層位、巖溶區、采空區及塌陷區與物探解釋完全正確，為在復雜地質條件下工程提供了有效的綜合物探勘探方法。

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