王　俊

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京　100055)

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電磁波CT技術(shù)在覆蓋型巖溶地區(qū)地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

王俊

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京100055)

Application of Electromagnetic Wave CT Technology in Geological Investigation of Covered Karst Areas

WANG Jun

摘要覆蓋型巖溶地區(qū)地質(zhì)勘察，一般要求對(duì)橋梁墩臺(tái)開(kāi)展逐樁鉆探，昂貴的勘探成本給鐵路勘察設(shè)計(jì)工作帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。以某城際鐵路高架車站為例，詳細(xì)闡述電磁波CT物探技術(shù)在地質(zhì)勘察過(guò)程中的應(yīng)用，其與鉆探相互印證且效果良好，對(duì)指導(dǎo)后期設(shè)計(jì)施工有較高的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞覆蓋型巖溶電磁波CT技術(shù)綜合勘探

巖溶地區(qū)地質(zhì)條件相當(dāng)復(fù)雜，選用勘探方法時(shí)應(yīng)注意其適用條件，且應(yīng)采用多種勘探手段互相補(bǔ)充、相互驗(yàn)證，以提高勘探效果[1]。應(yīng)采用物探，并與鉆探、挖探、測(cè)試等相結(jié)合的綜合勘探方法，對(duì)橋基應(yīng)根據(jù)基礎(chǔ)類型及巖溶發(fā)育程度，每個(gè)墩臺(tái)應(yīng)布置1～5個(gè)勘探點(diǎn)，柱樁宜每樁一孔，摩擦樁每個(gè)墩臺(tái)不宜少于2孔[2]。選擇合適的勘探方法，在節(jié)省勘探工作量的基礎(chǔ)上查明工程、水文地質(zhì)條件，成為當(dāng)前巖溶地區(qū)鐵路勘察設(shè)計(jì)過(guò)程中的一個(gè)重難點(diǎn)。

目前，電磁波CT技術(shù)在各類工程建設(shè)領(lǐng)域的巖溶探測(cè)方面有了較多的應(yīng)用，但大多未真正指導(dǎo)實(shí)踐[3-13]。以某城際鐵路高架車站為例，詳細(xì)探討電磁波CT技術(shù)在覆蓋型巖溶地區(qū)地質(zhì)勘察中的應(yīng)用適宜性，為后期設(shè)計(jì)施工提供詳實(shí)可靠的數(shù)據(jù)支撐。

1方法原理

電磁波層析成像技術(shù)(CT)是利用電磁波透射觀測(cè)體，并通過(guò)計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)來(lái)探測(cè)物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一種新興技術(shù)[14]。電磁波物探勘察是基于地下介質(zhì)的物電性差異，利用各種波源透視探測(cè)地質(zhì)目的體的一種地球物理方法。

電磁波法是利用無(wú)線電波(工作頻率0.5～32 MHz)在兩個(gè)鉆孔中分別發(fā)射和接收，根據(jù)不同位置上接收的場(chǎng)強(qiáng)大小，來(lái)確定地下不同介質(zhì)的分布情況[15]。當(dāng)電磁波通過(guò)不同的地下介質(zhì)(如各種不同的巖石、礦體及溶洞、破碎帶等)傳播時(shí)，由于不同介質(zhì)對(duì)電磁波的吸收存在差異，如溶洞、破碎帶等的吸收系數(shù)比其圍巖的吸收系數(shù)要大得多，在溶洞、破碎帶背后的場(chǎng)強(qiáng)也就小得多，從而呈現(xiàn)負(fù)異常?？梢岳眠@一差異推斷目標(biāo)地質(zhì)體的結(jié)構(gòu)和形狀。吸收系數(shù)的計(jì)算公式如下

βs=1/R(ln(E*/E)+2lnr-3lnR)

式中R——發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離；

r——兩個(gè)鉆孔之間的水平距離；

E*——儀器有效輻射常數(shù)；

E——儀器實(shí)際觀測(cè)值。

2應(yīng)用實(shí)例及其效果檢驗(yàn)

2.1工程概況

某城際鐵路高架車站勘察區(qū)地層巖性：上覆第四系人工填筑層(Q4ml)、第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)，下伏基巖為泥盆系上統(tǒng)帽子峰組(D3m)粉砂巖，泥盆系上統(tǒng)天子嶺組(D3t)石灰?guī)r。本次勘察在總結(jié)分析高架車站區(qū)域地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，選取其中4個(gè)承臺(tái)作為應(yīng)用實(shí)例，共布置2條物探剖面。承臺(tái)、樁基及物探剖面平面布置情況見(jiàn)圖1。

圖1　承臺(tái)、樁基、物探剖面平面布置示意(單位：mm)

2.2應(yīng)用過(guò)程

本著鉆探、物探相結(jié)合的綜合勘探原則，對(duì)7A-1、7A-4、7C-2、7C-4、12A-1、12A-4、12C-2、12C-4共8根樁基進(jìn)行鉆探，以掌握4個(gè)承臺(tái)的整體巖溶發(fā)育程度，鉆進(jìn)深度按鉆至溶洞底板完整基巖不小于10 m控制。同時(shí)要求7A-1、7C-2、12A-1、12C-2鉆孔終孔孔徑不小于108 mm，終孔后全孔下入直徑不小于89 mm的PVC管，并將上述鉆孔作為物探試驗(yàn)孔。

圖2　7C-2—7A-1、12C-2—12A-1鉆探橫斷面示意

圖2為7C-2—7A-1、12C-2—12A-1鉆探橫斷面示意，橫斷面間距均為16.375 m，圖2中數(shù)據(jù)信息均以高程標(biāo)示。如圖2所示：7C-2鉆孔基巖面高程-4.81 m，基巖面附近發(fā)育一個(gè)小溶洞，溶洞揭露高度為0.68 m，溶洞底板高程-6.02 m，終孔高程-16.17 m；7A-1鉆孔基巖面高程0.02 m，基巖面附近同樣發(fā)育一個(gè)小溶洞，溶洞揭露高度為1.28 m，溶洞底板高程-2.54 m，終孔高程-12.58 m。12C-2鉆孔基巖面高程-0.82 m，基巖面以下發(fā)育三個(gè)小溶洞，溶洞揭露高度分別為0.81 m、2.49 m和1.91 m，溶洞最深底板高程-15.70 m，終孔高程-25.80 m。12A-1鉆孔基巖面高程2.06 m，基巖面以下同樣發(fā)育三個(gè)小溶洞，溶洞揭露高度分別為3.26 m、4.55 m和1.85 m，溶洞最深底板高程-24.66 m，終孔高程-32.92 m。從承臺(tái)整體巖溶發(fā)育程度來(lái)看：CT1、CT2溶洞均在基巖面附近發(fā)育且洞徑較小，靠7C-2的一側(cè)相比靠7A-1的基巖面及溶洞底板高程要深3～5 m；CT3、CT4溶洞較為發(fā)育，基巖面以下發(fā)育3個(gè)且洞徑一般大于1 m，個(gè)別甚至接近5 m，靠12C-2的一側(cè)相比靠12A-1的基巖面高要深約3 m，但最深溶洞底板高程卻要淺將近9 m。CT1、CT2與CT3、CT4的巖溶發(fā)育程度有所差異，正好體現(xiàn)出物探剖面布置的適宜性及其意義。本次物探采用儀器為EW-1A型電磁波透視儀，選取8 MHz頻段為主要工作頻率，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)工作點(diǎn)間距為1 m，電磁波CT成像采用中國(guó)地震局地球物理研究所研發(fā)的軟件進(jìn)行計(jì)算和處理，圖3與圖4即為兩個(gè)物探剖面的最終成果，圖中X軸為距離、Y軸為深度。吸收系數(shù)是一個(gè)相對(duì)概念，在資料解釋時(shí)，每個(gè)剖面需要采用不同的吸收系數(shù)來(lái)確定異常：對(duì)于7C-2—7A-1剖面，將吸收系數(shù)≥0.692的區(qū)域定為透視異常；對(duì)于12C-2—12A-1剖面，將吸收系數(shù)≥0.628的區(qū)域定為透視異常。

圖3　7C-2—7A-1物探剖面成果

圖4　12C-2—12A-1物探剖面成果

7C-2—7A-1剖面物探解譯結(jié)果：距7C-2側(cè)，距離在4.3～10.7 m、高程在-9.7～-6.2 m范圍發(fā)育一溶洞；距7A-1側(cè)，距離在0～5.8 m、高程在-6.2～2.8 m范圍發(fā)育一溶溝、溶槽且與覆蓋層連通；兩鉆孔間高程2.8 m以上為覆蓋土層或溶槽充填土層。12C-2—12A-1剖面物探解譯結(jié)果：距12C-2側(cè)，距離在0～11.7 m、高程在-19.3～-9.9 m范圍發(fā)育一溶洞；距12A-1側(cè)，距離在0～5 m、高程在-20.3～-14.9 m范圍發(fā)育一溶洞，高程在-6.3～-1.3 m范圍發(fā)育一溶溝、溶槽且與覆蓋層連通；兩鉆孔間高程-6.3 m以上為覆蓋層土層或溶槽充填土層。

2.3效果檢驗(yàn)

首先，取CT1和CT2中7C-4、7A-4以及CT3和CT4中12C-4、12A-4鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證，4個(gè)鉆孔雖然相距剖面3.75 m，但卻具備重要的參考價(jià)值。鉆探揭露情況：7C-4基巖面高程0.65 m，高程-6.35～-8.78 m范圍發(fā)育一溶洞，溶洞揭露高度1.43 m，終孔高程-18.85 m；7A-4基巖面高程1.40 m，高程0.85～-0.20 m、-2.07～-3.60 m范圍發(fā)育兩個(gè)溶洞，溶洞揭露高度分別為1.05 m和1.53 m，終孔高程-13.86 m；12C-4基巖面高程-0.01 m，高程-1.52～-2.03 m、-3.60～-6.35 m、-7.11～-7.71 m范圍發(fā)育三個(gè)溶洞，溶洞揭露高度分別為0.51 m、2.75 m，終孔高程-23.10 m；12A-4基巖面高程0.43 m，高程-1.82～-2.12 m、-2.75～-3.47 m、-14.76～-16.41 m、-16.99～-19.07 m、-21.82～-22.91 m范圍發(fā)育5個(gè)溶洞，溶洞揭露高度分別為0.3 m、0.72 m、1.65 m、2.08 m和1.09 m，終孔高程-30.98 m。

驗(yàn)證效果：7C-4、7A-4鉆孔基巖面高程接近1 m，相比物探解譯結(jié)果要深2 m左右，原因可能為薄層頂板尚未徹底溶蝕所致，7C-4鉆孔的溶洞揭露情況基本與物探解譯結(jié)果相吻合，僅最深溶洞底板高程略淺約1 m，7A-4鉆孔揭露溶洞位置整體高出，與物探解譯結(jié)果不匹配；12C-4、12A-1鉆孔基巖面高程基本與與物探解譯結(jié)果相吻合，僅部分薄層底板、隔板溶蝕殘余。12A-4鉆孔的溶洞揭露情況也基本與物探解譯結(jié)果相吻合，僅最下部1.09 m溶洞有些許偏差。12C-4鉆孔溶洞底板雖按15 m完整基巖控制，但在-7.71 m高程以下卻未發(fā)育溶洞，與物探解譯結(jié)果不匹配。

其次，考慮到前期鉆探摸查與物探布置試驗(yàn)的不相匹配情況，以及巖溶發(fā)育程度對(duì)橋梁樁基設(shè)計(jì)的指導(dǎo)作用，后期補(bǔ)充7A-3、12A-2、12A-3共3個(gè)鉆孔進(jìn)行勘探繼續(xù)驗(yàn)證。上述3孔的鉆探揭露情況為：7A-3基巖面高程0.64 m，高程-0.81～-2.95 m、-9.53～-12.58 m范圍發(fā)育兩個(gè)溶洞，溶洞揭露高度分別為2.14 m和3.05 m，終孔高程-22.69 m。12A-2基巖面高程0.34 m，高程-0.86～-1.26 m、-2.26～-2.76 m、-3.26～-6.46 m、-11.56～-12.96 m、-13.26～-14.56 m、-15.26～-21.36 m范圍發(fā)育6個(gè)溶洞，溶洞揭露高度分別為0.4 m、0.5 m、3.2 m、1.4 m、1.3 m和6.1 m，終孔高程-22.69 m。12A-3基巖面高程-0.35 m，高程-2.22～-5.35 m、-20.30～-22.72 m范圍發(fā)育兩個(gè)溶洞，溶洞揭露高度分別為3.13 m和2.42 m，終孔高程-30.90 m。

驗(yàn)證效果：7A-3鉆孔的溶洞揭露情況彌補(bǔ)了7A-4鉆孔與物探解譯結(jié)果的不匹配性，同時(shí)彌補(bǔ)了7C-4鉆孔在溶洞揭露最深部位深度上的不足，但最深處溶洞底板高程相比物探解譯結(jié)果還要深3 m左右，比7C-4鉆孔深約2 m，說(shuō)明7A-3鉆孔勘探驗(yàn)證效果良好且十分必要；12A-2、12A-3鉆孔揭露的巖溶發(fā)育情況與12A-1、12A-4兩孔相近，彌補(bǔ)了12C-4鉆孔與物探解譯結(jié)果的不匹配性，勘探驗(yàn)證效果同樣良好。

3結(jié)論與建議

通過(guò)前期鉆探與物探試驗(yàn)，以及后期鉆探的再驗(yàn)證，得出結(jié)論和建議如下：(1)巖溶地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，巖溶發(fā)育規(guī)律難以在細(xì)節(jié)上查明，為更好更詳盡地指導(dǎo)設(shè)計(jì)施工，選擇鉆探與物探相結(jié)合的綜合勘探手段，具有重要的實(shí)用性意義；(2)縱觀各個(gè)環(huán)節(jié)的驗(yàn)證情況，鉆探與物探相互印證，驗(yàn)證效果良好，電磁波層析成像技術(shù)在覆蓋型巖溶區(qū)地質(zhì)勘察過(guò)程中得到了較好的應(yīng)用；(3)物探解譯仍然存在一定偏差，在刻畫(huà)基巖面、溶洞頂?shù)装濉⑷芏唇衣陡叨鹊汝P(guān)鍵部位信息上不如鉆探直接、準(zhǔn)確；(4)7C-2—7A-1剖面剩余7C-1、7A-2未鉆探，但7C-1孔的溶洞揭露情況用7C-2、7C-4、7A-4三孔進(jìn)行推斷即可，7A-2孔的溶洞揭露情況用7A-3、7A-4兩孔進(jìn)行推斷，最深溶洞底板高程參考物探解譯成果-6.2 m進(jìn)行控制即可，靠7A-1側(cè)巖溶發(fā)育程度確實(shí)比靠7C-2側(cè)低；(5)12C-2—12A-1剖面僅剩12C-1未鉆探，但12C-1孔的溶洞揭露情況用12C-2、12A-3兩孔進(jìn)行推斷即可，同時(shí)最深溶洞底板高程參考物探解譯成果-19.3 m進(jìn)行控制；(6)物探試驗(yàn)在一定程度上節(jié)省了鉆探工作量。

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中圖分類號(hào)：P631.3+22； P642.25

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-7479(2016)01-0059-03

作者簡(jiǎn)介：王俊(1986—)，男，工程師。

收稿日期：2015-12-14