陳 川

(四川省興冶巖土工程檢測有限責任公司，四川成都 610000)

0 引言

目前，電磁波CT探測廣泛運用于橋梁、隧道、水電水利工程等領域，探測覆蓋層(砂層)、破碎巖體、斷層帶、裂隙密集帶、溶蝕區(qū)等不良地質體的發(fā)育情況，取得了較好的應用效果[1]。但是在具體的應用中，往往存在個別工區(qū)特有的地質體，這些地質體可能是天然形成，也可能是施工造成，在反演剖面中，反映的是這些地質體的空間形態(tài)、大小、填充介質等影響因素與圍巖形成的綜合響應，這使得探測結果撲朔迷離，如何去偽存真是解決這類問題的關鍵[2]。貴州赤水河大橋主承臺在檢測之前已經形成了數(shù)個人工挖孔樁，個別孔正在施工，部分孔已經完成鋼混澆筑，人工挖孔樁的存在使電磁波CT探測結果存在網狀異常、形態(tài)散亂，如何客觀地解釋是判斷赤水河大橋主承臺下巖體完整程度、巖溶是否發(fā)育的關鍵。本文結合該工區(qū)工程狀況，通過建立、討論正演模型并運用于處理解釋中，能較好地解決該工區(qū)這一問題。

1 電磁波CT基本原理

孔間電磁波CT技術基本原理是，利用不同地質體對一定頻率下的電磁波的能量吸收強弱不同再現(xiàn)地質體異常的電磁波吸收系數(shù)圖像，它是現(xiàn)代地球物理勘探技術領域最新成果的結晶[3-5]。

電磁波CT層析成像的過程和原理見圖1。

圖1 電磁波CT工作原理

電磁波CT是基于惠更斯原理用無線電波對地質體進行成像的物理手段。從麥克斯韋方程組推導出電偶極子場，當電偶極子衍射效應可以忽略，測點與發(fā)射點距離足夠遠時，可以將電偶極子場作為輻射場。在輻射區(qū)內，介質中的電磁波傳播路徑可以用射線來描述[6]。對于配置半波偶極子天線的電磁波儀，其輻射場的場強見式(1)、式(2)[7]。

(1)

由公式(1)可以推導出：

(2)

式中：E0為初始輻射場，V/m；R為射線長度(即射線傳播的路線積分) ,m；D為兩孔間的水平距離，m；β是反映介質電磁特性的一個參數(shù)，稱為介質電磁波吸收系數(shù)，dB/m。

通過對實測電磁場強進行處理，重構射線所掃描的區(qū)域內巖體介質電磁波吸收系數(shù)分布，從而確定異常的位置、空間分布和形態(tài)。

2 工區(qū)地質概況

赤水河特大橋橋址區(qū)位于貴州省習水縣習酒鎮(zhèn)沿赤水河下游約5 km處，屬赤水河溶蝕峽谷地貌。貴州岸坡度較緩，基巖出露范圍較廣，坡體表面植被發(fā)育，巖層產狀較緩，工區(qū)內地層巖性為：第四系全新統(tǒng)人工填土塊碎石(Q4ml)；第四系全新統(tǒng)粉質黏土(Q4el+dl)；下三疊統(tǒng)茅草鋪組灰?guī)r(T1m)；下三疊統(tǒng)夜郎組鈣質泥巖(T1y)。區(qū)域地調資料顯示，三疊系的碳酸鹽巖類中，溶洞和巖溶破碎較為發(fā)育，當?shù)鼐植康貐^(qū)可見溶洞造成的地面塌陷[8-9]。

通過對施工現(xiàn)場的踏勘可知，赤水河大橋(貴州岸)左幅承臺樁基挖孔作業(yè)仍在進行，未澆筑。右幅承臺樁基成孔、澆筑均完成，大橋樁基直徑3.5 m，深度20 m左右，檢測鉆孔分別位于承臺四角處，孔深在35～40 m之間，多條連孔測試剖面經過樁基孔。

3 電磁波CT數(shù)據處理

3.1 電磁波CT正演模型討論

檢測資料初步處理成果如圖2所示。連孔剖面過樁基時，反演剖面較為雜亂，異常區(qū)域非常明顯，但并不能展現(xiàn)樁基的形態(tài)，見圖2(a)；而連孔剖面不過樁基時，反演剖面連續(xù)性好，能正常反映巖體完整性情況，見圖2(b)。

圖2 赤水河大橋電磁波CT反演成果圖

如何解釋上述異常區(qū)域是數(shù)據處理解釋的重點、難點，有必要對該工區(qū)建立正演模型，討論樁基對測量結果的影響。根據電磁波的傳播特性及其測量原理，結合施工現(xiàn)場情況，展開如下討論。

對于常規(guī)地下異常體，空間規(guī)模有限，電磁波CT射線對能夠充分限制異常體在空間的展布，通過數(shù)據處理能夠準確反映異常體的空間形態(tài)[10]。

工區(qū)承臺內分布有直徑3.5 m、深度20 m的樁基，理論上樁基可以視為“地下異常體”，但不同的是，樁基異常體縱橫向比例達到5∶1，鉆孔孔距僅20～30 m，鉆孔深度最深為40 m，從測量原理上，這樣的空間異常體形態(tài)很難被電磁波CT射線對包絡，因此很難在反演剖面上展現(xiàn)樁基的形態(tài)。通過以上的討論，按照現(xiàn)場實際尺寸(寬3.5 m，高20 m)建立樁基異常體正演模型，其正演結果如圖3所示。

圖3 樁基異常體正演模型及正演結果

正演結果表現(xiàn)為：20 m以上巖體吸收系數(shù)非常大、形態(tài)不規(guī)則，并且橫向上的異常大大超過了樁基孔徑3.5 m的范圍，因此，對于空間尺寸和長細比均較大的地質體，在處理剖面上并不能呈現(xiàn)其空間形態(tài)。

但是，如果鉆孔間距足夠大，鉆孔深度足夠深，相對于測量剖面，這樣的異常體是一個較小的局部異常，電磁波射線對能夠充分限制其空間形態(tài)，其形態(tài)就能在空間上展現(xiàn)出來。保持模型5∶1的比例，將異常體尺寸相對縮小來模擬此種異常(見圖4)，從正演結果來看，基本能夠展現(xiàn)出樁基異常體的形態(tài)。

圖4 樁基異常體正演模型及正演結果

通過以上正演模型討論可以得出結論，對于施工現(xiàn)場的樁基只要鉆孔孔距、孔深足夠大，成果中就能反映出樁基的基本形態(tài)，但是在現(xiàn)場施工中受到儀器探測范圍、施工場地等因素的限制，很難滿足這一要求。

3.2 樁基異常體正演模型

由于赤水河大橋(貴州岸)承臺鉆孔位置沒有按照檢測方案測設，使得連井剖面過樁基孔的弦長為不確定的變量，實際正演模型按照現(xiàn)場測量尺寸建立，如圖5所示。

圖5 赤水河大橋(貴州岸)承臺6、8號 鉆孔位置及正演模型

施工中人工挖孔、爆破作業(yè)對圍巖有不同程度地擾動、可能在樁基附近1 m范圍內形成裂縫、裂隙等，在電磁波CT檢測中，與樁基一起形成“長柱狀異常體”，建立該工區(qū)正演模型，吸收系數(shù)為：①圍巖0.1；②樁基0.6～0.9(過樁基孔弦長越小，值越小)；③可能破碎區(qū)0.5。正演模型、模型正演結果、實際反演結果如圖6所示。

3.3 連孔剖面數(shù)據處理

鉆孔5—鉆孔8連孔剖面上，連線經過三個樁基，新建成三個樁基異常體，吸收系數(shù)與直徑成正比。同種巖性下，吸收系數(shù)的大小與路徑有關，直徑越大，對應的弧長越長，電磁波經歷的路徑越長，吸收系數(shù)也就越大，因此設置不同的吸收系數(shù)[11]。

鉆孔5—鉆孔8模型中，第一個樁基模型直徑最小，對應的吸收系數(shù)最小，在正、反演剖面上也可看出吸收系數(shù)與下部巖體差別不大，原因同上。同時，在赤水河大橋(貴州岸)右幅承臺檢測時樁基澆筑已完成，基于同樣原因，得到的反演剖面低吸收系數(shù)區(qū)域明顯比左幅承臺低吸收系數(shù)區(qū)域大的多，下部異常明顯更少，電磁波穿過已澆筑的混凝土的難易程度明顯低于未澆筑的空氣介質。

大橋樁基直徑3.5 m，深度達到20 m(測試時承臺左幅仍在挖孔施工，承臺右幅已經澆筑)，并且施工中挖孔、爆破作業(yè)對圍巖有不同程度的擾動并可能形成裂縫等，在電磁波CT檢測中，通過正演分析，工區(qū)這種“長柱狀異常體”與圍巖的綜合響應非常復雜，成果處理中解釋為“樁基與圍巖響應區(qū)”。

另外，成果處理中部分鉆孔井段井壁附近表現(xiàn)為較高的吸收系數(shù)，并且在剖面橫向上并未有明顯異常延伸區(qū)域，形態(tài)上表現(xiàn)為半閉合的局部異常，這種異常由鉆機鉆進時造成的井壁破碎引起，成果處理中解釋為“井壁效應”異常區(qū)。

表層0～5 m范圍內，受地形起伏、地面荷載、高壓電線以及施工場地平整時上部巖土清除造成的裂隙等影響，測得的吸收系數(shù)較高，形態(tài)表現(xiàn)為半閉合的局部異常，成果處理中解釋為“表層效應”異常區(qū)。

4 赤水河大橋電磁波CT成果分析實例

4.1 ZK2—ZK3剖面

ZK2—ZK3電磁波CT反演剖面圖如圖7所示。該剖面長20 m，該承臺樁基已經完成澆筑。

圖7 ZK2—ZK3井電磁波CT反演剖面圖

由成果圖得知：

(1)在剖面頂部即地表下厚度0～13 m范圍內存在電磁波高吸收異常區(qū)，電磁波吸收系數(shù)在0.70～0.95 dB/m之間，為大橋右幅承臺樁基等長柱狀異常體形成的“樁基與圍巖響應區(qū)”。由于樁基已經完成澆筑，圍巖與樁接觸良好，特別是13 m以下測量幾乎未表現(xiàn)出異常形態(tài)，13 m以上僅有局部異常，地表和井壁局部表現(xiàn)為高吸收系數(shù)現(xiàn)象，其形態(tài)為半封閉狀，為“表層效應”和“井壁效應”所致；

(2)其他區(qū)域電磁波吸收系數(shù)多在0.1～0.5 dB/m范圍內，未見明顯異常區(qū)，巖體較完整。

4.2 ZK5—ZK7剖面

ZK5—ZK7電磁波CT反演剖面圖如圖8所示。該剖面長24.5 m，該承臺樁基未完成澆筑，部分樁基孔仍在挖掘。

圖8 ZK5—ZK7井電磁波CT反演剖面圖

由成果圖得知：

(1)反演剖面上、下存在明顯的分界線，在剖面頂部即地表下厚度0～20 m范圍內存在電磁波高吸收異常區(qū)，電磁波吸收系數(shù)在0.65～0.95 dB/m之間，為大橋左幅承臺樁基等長柱狀異常體反演形成“樁基與圍巖響應區(qū)”，經正、反演結果進行比較，異常區(qū)域形態(tài)較為相似，由于樁基未完成澆筑，電磁波的繞射造成成果圖中的高吸收系數(shù)區(qū)域；

(2)其它區(qū)域電磁波吸收系數(shù)多在0.1～0.5 dB/m范圍，巖體相對較完整，未見明顯異常。

5 結論

通過對工區(qū)地質特性的分析，建立了正演模型，經正、反演討論，基本能判斷該工區(qū)下部巖體完整性較好，巖溶發(fā)育較差。

(1)在地表以下0～5 m范圍內，局部區(qū)域出現(xiàn)吸收系數(shù)較高現(xiàn)象，主要是受地形起伏、地面荷載、高壓電線以及施工場地對上部巖土清理時產生小范圍巖體破碎的影響，在成果圖中解釋為“表層效應”異常。部分鉆孔孔壁附近巖體表現(xiàn)為高吸收系數(shù)，原因在于鉆機鉆進過程中造成的井壁破碎，形成“井壁效應”。

(2)地表以下20 m范圍內的巖體，多處可見吸收系數(shù)較高的異常區(qū)域，通過正、反演討論和分析發(fā)現(xiàn)，這些異常主要是樁基與圍巖的綜合響應引起，并非巖溶造成。

(3)通過主承臺區(qū)域的電磁波CT檢測成果分析，樁基底部以下15～20 m巖體吸收系數(shù)在0.1～0.5 dB/m范圍內，未見明顯不良地質體(或巖溶)異常反應，推測樁基底部以下15～20 m范圍內巖體較完整。