跨孔電阻率CT法在城市工程物探中的應(yīng)用★

唐 睿 朱黎明 胡 繞

(上海勘察設(shè)計研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200082)

現(xiàn)階段城市雨污水管道服役多年，部分管道已出現(xiàn)破損現(xiàn)象，導(dǎo)致局部滲漏從而導(dǎo)致水土流失形成地下塌空區(qū)。塌空區(qū)會引發(fā)地面沉降，對建設(shè)在其上部的結(jié)構(gòu)會造成較大的影響，形成安全隱患。因而需要及時采用相應(yīng)措施對塌空區(qū)進(jìn)行加固處理。如對塌空區(qū)的分布范圍有初步了解，則能迅速制定較為經(jīng)濟(jì)合理的處理方案。針對地下塌空區(qū)檢測，現(xiàn)階段可采用地面高密度電阻率法進(jìn)行檢測，但在城市工程物探中由于場地限制，高密度電阻率法測線長度受限，從而導(dǎo)致檢測深度達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)。

跨孔電阻率CT法最早是從醫(yī)學(xué)引入的，也是具備探測高分辨率地層參數(shù)信息的電阻率層析成像技術(shù)。該技術(shù)與地面高密度電阻率法一樣，均是基于電阻率法的物探方法，在地質(zhì)勘察、超前地質(zhì)預(yù)報和水文地質(zhì)工程等領(lǐng)域應(yīng)用較多。李紅立等(2010)使用跨孔電阻率CT法先后完成了軌道交通建設(shè)中的溶洞探測、花崗巖球狀風(fēng)化體的探測試驗研究，均取得了較好的應(yīng)用效果；高召寧等(2011)在煤層底板采動破壞帶演化過程的監(jiān)測中應(yīng)用了該技術(shù)，探索了該技術(shù)在煤礦底板突水預(yù)測和防治中的應(yīng)用。王俊超等(2012)采用不同裝置的跨孔電阻率CT法進(jìn)行探測孤石的物理模型對比試驗研究；李術(shù)才等(2015)研究二維電阻率跨孔CT法的探測理論，并做了一些改進(jìn)。在這種情況下，可采用跨孔電阻率CT法于塌空區(qū)四周布設(shè)測孔，獲取各測孔間的電阻率數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理和軟件反演得到相應(yīng)的電阻率CT剖面，進(jìn)行分析和解釋并判斷塌空區(qū)在地下空間的分布情況。

本次工作結(jié)合城區(qū)兩處工程應(yīng)用項目，根據(jù)工區(qū)的場地條件，選用跨孔電阻率CT法對上述塌空區(qū)進(jìn)行檢測，獲得的技術(shù)成果可為業(yè)主及施工方的后期加固提供技術(shù)支撐。本文首先介紹了跨孔電阻率CT法的基本原理和工作流程，通過實際應(yīng)用準(zhǔn)確查明了地下塌空區(qū)的位置和展布情況，并通過后期加固及觀測進(jìn)行驗證，證明了該方法具有良好的應(yīng)用效果。

1 工程概況

為了驗證跨孔電阻率CT法在城市工程物探中的適用性，結(jié)合兩處工程應(yīng)用，開展了跨孔電阻率CT法對地下塌空區(qū)的檢測。工程1位于市區(qū)某下立交通道附近(后簡稱A區(qū))，該通道下方存在一根φ800雨水管東西向橫穿該通道后在側(cè)壁外側(cè)附近轉(zhuǎn)折向南平行于通道敷設(shè)，由于建設(shè)時間久遠(yuǎn)，推測管道轉(zhuǎn)折處接頭發(fā)生滲漏引起地表局部沉降。工程2位于某小區(qū)住宅樓西北角附近(后簡稱B區(qū))，該住宅樓西北角下方存在一根廢棄φ3 600雨水管斜穿該樓。據(jù)現(xiàn)場踏勘及詢問得知，該住宅樓在以往施工過程中曾有樁基施工造成的雨水管破損，后續(xù)未采取修補(bǔ)措施。據(jù)此推測隨時間推移，該住宅樓西北角處水土從雨水管破損處流失，后因連日陰雨天氣導(dǎo)致流失速度較大，造成該樓西北角出現(xiàn)局部沉降，地表出現(xiàn)塌陷凹坑。兩處檢測工程的場地示意如圖1所示。

2 工作方法

由圖1可知，兩處塌空區(qū)周邊場地均較為局限，考慮到探明塌空區(qū)所需的深度范圍，經(jīng)過對物探方法的原理進(jìn)行對比研究后，確定采用跨孔電阻率CT法進(jìn)行檢測。本工程采用超高密度直流電法勘探儀來開展跨孔電阻率CT法檢測工作(李紅立等，2010；胡讓全等，2014；師學(xué)明等，2017)。跨孔電阻率CT法是高密度電阻率法的一種技術(shù)改進(jìn)，其方法原理同高密度電阻率法，均以地下介質(zhì)的電性差異為應(yīng)用基礎(chǔ)，通過研究與電性有關(guān)的人工直流電場分布規(guī)律，達(dá)到探測地質(zhì)構(gòu)造和尋找礦產(chǎn)資源的地球物理勘探方法。跨孔電阻率CT法主要通過將帶有等間距、具有收發(fā)功能的電極的多芯電纜同時布設(shè)在相對的兩井(或鉆孔)中，多芯電纜分別連接地面儀器，兩井內(nèi)的電極形成井間電極陣如圖2所示(李清松，2005)。

在實際檢測應(yīng)用中，依次通過單電極供電、其余電極接收的方式，通過孔孔“透視對穿”的觀測模式，順序完成所有電極的發(fā)射和接收，再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和反演后，得到孔間地下電阻率的剖面。最后綜合地下地質(zhì)資料和現(xiàn)場踏勘情況，對上述反演結(jié)果進(jìn)行解釋，以判斷異常區(qū)域的分布范圍。電極距及孔間距依據(jù)要求到達(dá)的分辨率和所要探測的目標(biāo)體的規(guī)模和深度靈活掌握。

相比地面高密度電阻率法，跨孔電阻率CT法的探測電極更接近勘探目標(biāo)體，其采集信息是地電異常體的直接反映。另外，由于是多對電極收發(fā)，相比而言，其采集的數(shù)據(jù)量十分豐富，可獲取與孔間介質(zhì)地電結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的海量有效信息，同時由于電極均位于地下井內(nèi)，有效避開了地表各類高頻率的電磁干擾，更有利于取得良好的精細(xì)探測效果。

3 工作布置

由于本次工程場地限制，地面高密度電法測線布設(shè)的長度受限，使得檢測深度較淺，不滿足本次檢測深度要求，因而在前述兩處工地采用跨孔電阻率CT法開展檢測工作。本次檢測于A區(qū)沉降區(qū)布設(shè)電阻率CT法測孔4個，呈“T”字形分布，采集電阻率CT剖面3個，分別為剖面2—1、剖面3—1、剖面1—4；于B區(qū)住宅樓西北角兩側(cè)對稱布置測孔4個，呈梯形狀分布，采集電阻率CT剖面2個，分別為剖面1—4、剖面2—3。具體孔位分布如圖3所示。

4 探測結(jié)果與分析

將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并采用配套軟件反演后，得到相應(yīng)的跨孔電阻率CT電阻率剖面。其中，A區(qū)剖面2—1、剖面3—1、剖面1—4對應(yīng)的電阻率CT剖面如圖4所示。

如圖4所示，各電阻率CT剖面中的黑色圈內(nèi)均為電阻率異常區(qū)域，異常區(qū)域埋深位于8 m～10 m，且異常反應(yīng)數(shù)值相近，結(jié)合雨水管埋深約10 m的信息，判定黑色圈內(nèi)區(qū)域為塌陷區(qū)域。對于剖面從深度6 m往上的相對高阻異常區(qū)，經(jīng)查看，是因為在檢測工作實施前，施工方對地下6 m以上區(qū)域注入水泥漿進(jìn)行加固后所造成的異常。

由于前期的加固工作對于塌空區(qū)的深度認(rèn)識不夠，致使經(jīng)過該次加固工作后，該工區(qū)的地表仍然繼續(xù)出現(xiàn)沉降。在經(jīng)本次檢測確定了空洞的地下分布情況后，施工方加大了加固深度進(jìn)行再次施工工作。最終地下塌陷區(qū)得到良好修補(bǔ)，經(jīng)持續(xù)觀測，地表未進(jìn)一步沉降。

B區(qū)剖面1—4、剖面2—3得到的電阻率CT剖面如圖5所示。

如圖5所示，電阻率剖面1—4和剖面2—3在圈定區(qū)域內(nèi)存在明顯的電阻率異常，異常區(qū)域均表現(xiàn)為上部較大，下部較小的形狀，所處深度位置一致。結(jié)合破損雨水管的深度約6 m和地表塌陷部分的尺寸信息，可判定塌空區(qū)位于黑色圈定區(qū)域內(nèi)。

在確定該塌空區(qū)在地下分布的情況后，施工方根據(jù)檢測結(jié)果對該區(qū)域進(jìn)行了灌漿填補(bǔ)工作，經(jīng)持續(xù)觀測，地表未進(jìn)一步沉降。

5 結(jié)語

通過跨孔電阻率CT法在本工程內(nèi)兩個區(qū)域塌空區(qū)檢測中的應(yīng)用，證明該方法對地下塌空區(qū)的檢測具有較好的識別效果，且對場地要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地面高密度電阻率法，在檢測環(huán)境限制諸多的城市工程物探中具有一定的實用性、有效性及高效性。同時該種方法不僅限于塌空區(qū)檢測運(yùn)用，也可推廣應(yīng)用于防空洞檢測、地下大深管線檢測等多種待測目標(biāo)與背景區(qū)域存在較大電性差異的情況，因此，該方法在城市工程物探中具備較好的應(yīng)用前景。