物探綜合方法在巖溶區巖土工程勘察和施工中的應用

王 龍，萬曉鋒，韓 鵬

（1.中國建筑材料工業地質勘查中心陜西總隊，陜西西安 710003；2.西安建材地質工程勘察院有限公司，陜西西安 710003）

1 概述

巖溶是公路工程建設中常見的不良地質體之一，特別是對橋梁區樁基穩定性有潛在的影響，給公路工程建設造成重大的安全隱患[1]。

目前地質鉆探在巖溶區地質勘察中應用最廣泛。但是鉆探手段的局限性導致其難以探明巖溶發育的規模、形態和分布規律。而且鉆孔位置有限，不能對勘察區域全覆蓋鉆探，同時鉆探只能夠探查出鉆孔位置下垂直方向的巖溶發育情況，對鉆孔周邊溶洞的橫向發育情況一無所知，鉆孔成本也相對較高[2-3]。因此巖溶區的地質勘察要選擇其他經濟、合理的勘察方法及技術手段并結合鉆探進行綜合勘察分析。

2 地球物理特征

巖溶的發育的區域通常存在一定程度的地質構造或地層變化，采用地球物理方法，研究巖溶塌陷的電性或彈性特征，可以對巖溶區塌陷進行有效的探測[4]。

本文研究的巖溶區域出露的地層主要有第四系覆蓋層和泥盆系中統泥質灰巖。該區域泥質灰巖大部分被第四系覆蓋，溶洞大多呈“串珠狀”發育，局部呈“漏斗狀”發育。該地區一年中4～8月份降雨頻繁，地下水位較淺。溶洞大部分被粘性土、破碎巖屑等填充，未充填溶洞大部分含水，根據既有資料顯示，該區域泥質灰巖電阻率為100～6000Ω·m。覆蓋層及全風化電阻率為10～100Ω·m；破碎帶、溶洞內含水導致電阻率明顯下降。

水的介電常數81，泥質灰巖的相對介電常數6～9，粉質粘土的相對介電常數8～15，溶洞（有物質充填）的相對介電常數20～30。由于各介質的電性差異較大，電磁波衰減性存在明顯差異。

3 地球物理方法

該橋梁段的地下巖溶主要有溶洞、溶隙等，并且地下水位很高，發育的溶洞一般會被水或者粘性土充填，其地球物理特征主要表現為高彈性波衰減、高電磁波衰減和低電阻率等，從而與周圍介質會產生很大的差異。因此可選用的物探方法包括高密度電法、瞬變電磁法、地震映像法、樁底溶洞探測法、跨孔電磁波CT等[5-7]。

根據現場的工程地質條件和地球物理特征，在勘察階段使用高密度電法進行地面大范圍探測，再結合跨孔電磁波CT方法進行鉆孔間探測，在施工階段用樁底溶洞聲吶探測法來指導樁基終孔，確保樁基持力層厚度滿足設計要求。

3.1 高密度電法

高密度電阻率法是一種在方法技術上有較大進步的電阻率法。就其原理而言，它與常規電阻率法完全相同。但由于它采用了多電極高密度一次布極并實現了跑極和數據采集的自動化，可進行資料的現場實時處理與成圖解釋[9]。由于電極的布設是一次完成的，測量過程中無需跑極，因此可防止因電極移動而引起的故障和干擾，數據成果能較真實地反映地層情況，可較準確地圈定電性異常區域。但使用該方法也有一定的不足，例如地層的分辨率不高，對尺寸較小的溶洞容易遺漏。

3.2 跨孔電磁波CT

跨孔電磁波CT技術就是利用電磁波在不同介質中吸收系數的差異，經過數學處理，反演出吸收系數的分布，得到地下介質的精細結構圖像[10-11]。由于巖溶對電磁波吸收與圍巖存在差異，可以比較直觀地顯示出鉆孔間溶洞的分布形態和延伸情況，并準確分析溶洞的發育程度和空間分布，以此來彌補地面物探及工程地質鉆探的不足，很好地反映出鉆孔間的巖溶發育情況。

3.3 樁底溶洞聲吶探測法

聲吶狹義上是指利用水下聲波判斷物體的存在、位置及類型的方法和設備，廣義上是指凡是利用水下聲波作為傳播媒體，以達到某種目的的設備和方法都稱之為聲吶。

樁底溶洞聲吶探測法是在鉆孔灌注樁樁底，利用在泥漿及水環境中激發的聲吶應力波，遇到樁基底部一定范圍內的溶洞、溶蝕裂隙、軟弱夾層等不良地質體時，會產生反射回波，接收樁底溶洞反射回來的聲吶應力波就可以分析樁底的不良地質情況。

4 巖溶探測效果分析

本文主要是對位于廣西桂林某高速公路K2+060～K2+300 段橋梁樁基持力層進行巖溶探測效果分析。

4.1 高密度電法應用

在K1+945～K2+415 段落沿線路右邊線布置高密度測線一條。本次高密度電法使用的是重慶地質儀器廠研發的DUK-2A 型高密度電法測量系統，根據測量需要，現場選用60 道電極，5m 道間距，每15 道向前滾動的方式布線，采用溫納裝置進行觀測。

從高密度電法測線剖面的視電阻率值來看，表層介質的視電阻率值相對較低，視電阻率值ρs為10～100Ω·m，推斷為第四系覆蓋層。下部視電阻率相對較高，ρs為100～6000Ω·m，推測為風化基巖。從視電阻率等值線圖可以推斷測線下存在4處低阻異常區，D1～D4推測為巖體破碎區或者為巖溶區。其中：D1 位于K2+159～K2+176，D2 位于K2+199～K2+213，D3 位于K2+224～K2+245，D4位于K2+315～K2+323。

為進一步驗證高密度電法的推測成果，在D1、D2異常區域處布置2個鉆孔。鉆孔情況見表1。鉆孔揭露的溶洞平距與深度基本和高密度電法結果一致（圖1）。

圖1 高密度電法測線推測的巖溶發育區及鉆孔揭露的溶洞

表1 高密度電法D1、D2異常鉆孔驗證情況

根據高密度電法解譯結果，結合工區地形地貌條件，依據相關規范要求，對該橋梁逐墩布設鉆孔進行勘探，勘探結果顯示，鉆孔揭露的溶洞位置與高密度電法解譯結果基本一致。

4.2 跨孔電磁波CT應用

為進一步確定鉆孔附近的巖溶發育情況，在ZK-15和ZK-6 鉆孔位置對應的線路左邊線處布置鉆孔ZK-5和ZK-16。并布置了ZK5-ZK15和ZK16-ZK6兩對跨孔電磁波CT剖面，探測鉆孔間溶洞的延伸情況。跨孔電磁波CT 使用的是湖南奧成科技有限公司生產的HXJDT-02B型井下無線電波透視儀，選擇5、8、11MHz 3個頻點進行數據采集。

ZK5-ZK15和ZK16-ZK6兩個剖面的跨距為23.5m，探測深度范圍為0～50m，電磁波CT成果圖見圖2。

圖2 鉆孔剖面電磁波CT成像結果

鉆孔ZK5 與ZK15 之間巖土的吸收系數在0.15～0.45Nper/m之間。鉆孔ZK16與ZK6之間巖土的吸收系數在0.2～0.45Nper/m 之間。ZK5-ZK15 和ZK16-ZK6 的電磁波CT反演成果如表2所示。

從上述反演成果可以看出，CT 剖面中基巖面起伏不大，ZK5-ZK15處基巖埋深30～35m，ZK16-ZK6處基巖埋深5～6m。探測剖面中的溶蝕現象比較發育，在探測范圍內存在大面積的溶蝕發育區。剖面中共圈定了15個溶洞異常區域。

對比圖2 與表1 中2 個鉆孔的資料，可以判斷高視吸收異常區域應為溶洞區（粉質粘土全充填），且部分溶洞較大。測區的溶洞成群發育，具有聯通性，且異常反映的溶洞與鉆孔揭示的溶洞情況基本一致。

4.3 樁底溶洞聲吶探測法

進入施工階段，對ZK5-ZK15 和ZK16-ZK6 鉆孔間共4個樁基孔采用樁底溶洞聲吶探測法確定樁底以下樁徑的3倍并不小于5m的深度范圍內有無溶洞等不良地質現象的存在[12]。樁底溶洞聲吶探測使用的是武漢長盛工程檢測技術開發有限公司研制生產的JL-SONAR(A)樁底溶洞聲吶探測儀。

對該橋梁4-4樁基（對應鉆孔ZK15）、5-4樁基（對應鉆孔ZK6）進行樁底溶洞聲吶探測，探測結果如圖3所示。

圖3 樁基探測結果

根據探測數據可知，4-4樁基和5-4樁基樁底聲吶波形規則，波形數據頻率較好，衰減正常。判斷該樁基樁底圍巖完整，巖性較好，樁底標高以下8m 內未發現溶洞發育。

5 結語

（1）公路工程巖溶勘探過程中，首先采用高密度電法進行地面大范圍初步探測，并在推斷的巖溶發育異常區進行地質鉆探驗證，然后采用跨孔電磁波CT方法探明鉆孔間的巖溶規模以及延伸發育情況，最后在施工過程中，對巖溶發育區的樁基采取樁底溶洞聲吶探測法確保樁底標高以下8m內無溶洞發育，既確保工程質量、又合理減少了工程勘察成本、縮短工期。

（2）物探結果的解譯具有多解性，單一的物探方法往往達不到很好的效果，利用多種物探手段進行綜合探測，其探測結果相互驗證、優勢互補，能很好地提高巖溶地區的勘察成果質量，也進一步確保和施工質量和施工安全。

（3）應用綜合物探方法比常規單一物探方法的解譯結果更加準確，從長遠來看，綜合應用物探方法在公路巖溶勘察中具有廣泛的應用前景，可以為公路工程建設提供詳實的勘察資料。