廖 順，馮坤偉，李法濱

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司，貴陽 550009)

在地質(zhì)勘察中，對地下地質(zhì)情況的探知受到各種因素的制約。鉆探只能單點探測，費用較高，且周期較長；其他地面物探手段，如電法、地震波法、地質(zhì)雷達等易受到地表各種因素的干擾[1-3]。而跨孔電磁波層析成像利用鉆孔深入地下進行探測，可獲得豐富的信息，對地下地質(zhì)情況有較為直觀的展現(xiàn)。分析國內(nèi)外對跨孔電磁波層析成像探測技術(shù)的研究，主要通過分析電磁波在介質(zhì)中的傳播時間或衰減值推測地層中的巖溶發(fā)育情況。目前，此項技術(shù)已基本成熟，廣泛應用于交通、水利、建筑及礦產(chǎn)等領(lǐng)域中，取得了良好的效果[4-6]。

1 工程背景

場區(qū)地處貴州高原中部，屬沖蝕、溶蝕河谷地貌，橋位處為“U”型河谷，主墩位置地形坡度較陡，覆蓋層厚度較薄，基巖局部裸露，呈單斜構(gòu)造。兩岸地層產(chǎn)狀穩(wěn)定，局部有撓曲現(xiàn)象，無斷層通過。橋位基巖為三疊系下統(tǒng)大冶組(T1d)石灰?guī)r夾泥巖，產(chǎn)狀295°∠11°。地下水的補給主要靠大氣降水，主要為第四系松散層孔隙水、基巖裂隙水、鹽酸鹽巖巖溶水，其中，碳酸鹽巖巖溶水賦存在兩岸灰?guī)r中，呈帶狀分布，常受溶蝕裂隙發(fā)育程度及含水層厚度控制。水質(zhì)類型為鹽酸鹽鈣質(zhì)水，對巖體和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物具有微腐蝕性。

由于測區(qū)內(nèi)粘土、水、空洞等與石灰?guī)r的相對介電常數(shù)有較大差別，當電磁波穿過地層時，其振幅及走時均會發(fā)生不同程度的變化，這為利用跨孔電磁波層析成像法對測區(qū)巖溶發(fā)育情況的探測提供了前提。

根據(jù)測區(qū)野外巖土體探測結(jié)果，其主要地球物理參數(shù)如表1所示。

表1 電磁波參數(shù)

2 工作原理、參數(shù)及判譯

2.1 工作原理

跨孔電磁波層析成像法的工作原理：選取2個鉆孔分別布置發(fā)射天線和接收天線，發(fā)射天線與接收天線預設(shè)采樣間距。一般情況下，發(fā)射天線的移動間距在0.5 m～2.0 m之間；接收天線的采樣區(qū)域以發(fā)射天線所在高程為中心，俯仰角在45°～60°內(nèi)，采樣間距在0.1 m～1.0 m之間，采樣間距與分辨率成反比。完成儀器組裝及軟件設(shè)置等各項準備工作后，將發(fā)射與接收天線分別放入孔內(nèi)預定位置，固定發(fā)射天線，將接收天線沿鉆孔向上提升，每隔一定間距采集一次電磁波脈沖信號，完成預定長度后，將發(fā)射天線提至下一個測點，接收天線折返向下采集，如此往復，直至完成整個測區(qū)的掃描。通過2個天線的移動，多次激發(fā)接收，可得到若干條射線，形成測網(wǎng)，如圖1所示。每條射線記錄了電磁波振幅和走時等信息，它反映了沿射線方向巖石的平均物性參數(shù)。之后，通過對測區(qū)進行網(wǎng)格剖分，采用修飾共軛梯度法反演，即可得出測區(qū)內(nèi)電磁波波速與衰減系數(shù)成果圖。

圖1 鉆孔電磁波層析成像探測原理示意Fig.1 Schematic diagram of borehole electromagnetic wave tomography detection

在野外工作中，做好現(xiàn)場調(diào)繪并搜集詳細的地質(zhì)資料，詳細記錄現(xiàn)場實際情況。正式采集數(shù)據(jù)之前，須做好以下內(nèi)容：1) 測試儀器，確保儀器正常穩(wěn)定，數(shù)據(jù)真實可靠；2) 排除現(xiàn)場干擾；3) 由于電磁波在不同巖性地層中的速度與衰減情況差異較大，故需要在目標區(qū)域內(nèi)挑選幾組不同間距的鉆孔進行試驗，探明場區(qū)內(nèi)電磁波的背景值，選擇合適的孔間距，在保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的同時，盡可能地擴大探測范圍，提高工作效率。

2.2 工作參數(shù)

本次探測采用瑞典生產(chǎn)的RAMAC/GPR鉆孔雷達，設(shè)備使用MALAProEx系統(tǒng)，天線主頻100 MHz。主要參數(shù)設(shè)置如下：

采樣頻率：1 018 MHz。

采樣點：614。

頻率步長：36 MHz。

時窗：602 ns。

發(fā)射點距：1 m。

接收點距：0.2 m。

發(fā)射天線與接收天線均以孔口位置為參考點，采用測距輪定位。測距輪較準參數(shù)：497.3。

2.3 數(shù)據(jù)判譯

1) 數(shù)據(jù)處理

對野外采集的數(shù)據(jù)，通常采用以下7個步驟進行處理：1) 讀入數(shù)據(jù)，使用Wintomo軟件讀入由RAMAC/GPR的GroundVision采集的數(shù)據(jù)；2) 建立坐標系，以2個鉆孔在剖面上的相對關(guān)系建立二維坐標系，一般以發(fā)射孔的孔口位置為坐標原點，發(fā)射孔為Z軸，指向接收孔的方向矢量為X軸；3) 對數(shù)據(jù)進行帶通濾波，濾波范圍38 MHz～120 MHz；4) 讀取每道直達波的初至時間，刪除壞道；5) 設(shè)置網(wǎng)格單元尺寸，以定義反演范圍和用于反演及解釋的像元尺寸，它與分辨率成反比，本次設(shè)置的網(wǎng)格尺寸為2 m×2 m，插值網(wǎng)格為0.25 m×0.25 m；6) 數(shù)據(jù)反演，采用修飾共軛梯度法，同時需設(shè)置的參數(shù)有：阻尼因子，范圍在0.1 N/(m/s)～5 N/(m/s)之間，波速區(qū)間38 mm/ns～120 mm/ns，衰減值區(qū)間0.1 dB/m～50 dB/m；7) 成圖，通過以上步驟即可計算出成果圖，并以surfer軟件成等值線圖的形式展示[7-10]。

2) 圖像判譯

電磁波在巖層中傳播時，會受到地層巖性及巖體的風化裂隙發(fā)育程度、含水量、溶洞、空氣等因素的影響，波速及衰減系數(shù)都會發(fā)生變化。在貴州境內(nèi)的碳酸鹽巖地層，巖溶含水量較高，或有粘土充填，電磁波經(jīng)過此區(qū)域一般會呈現(xiàn)低波速、高吸收現(xiàn)象?；谶@一特征，結(jié)合地調(diào)、地勘資料等綜合分析，即可推斷出測區(qū)的巖溶發(fā)育情況[11-15]。

3 工程應用

以貴州省貴安新區(qū)黔中大道市政主干道路上某特大橋的勘察為例，論述電磁波CT的應用效果。該特大橋為整幅橋，全長868.08 m，上部結(jié)構(gòu)為：6×30 m簡支變連續(xù)小箱梁+(100+180+100) m連續(xù)剛構(gòu)+10×30 m簡支變連續(xù)小箱梁，下部構(gòu)造：橋臺采用U型臺接群樁基礎(chǔ)，主橋橋墩采用雙薄壁墩接群樁基礎(chǔ)，引橋橋墩及過度墩采用薄壁墩接群樁基礎(chǔ)。橋型示意及本文所用鉆孔如圖2所示。

圖2 橋型及鉆孔位置示意

本次探測區(qū)域位于橋梁左幅7#橋墩，經(jīng)鉆探揭示，地層中巖溶強發(fā)育。為查明巖溶的規(guī)模、走向及分布特征，特使用電磁波層析成像進行詳細勘察。通過對多組鉆孔進行比選，選擇QK97和QK115、QK113和QK99兩組鉆孔進行跨孔電磁波層析成像，成果及地質(zhì)判譯如圖3、圖4所示。2組鉆孔的孔間距均為12.7 m。探測鉆孔與驗證鉆孔的參數(shù)如表2所示。

表2 鉆孔參數(shù)

在QK97和QK115探測斷面中，通過綜合分析圖3中地層巖體的波速與衰減系數(shù)分布特征，對比鉆孔資料，發(fā)現(xiàn)3處異常區(qū)：1) 在QK97孔深-20.5 m～-37.2 m段，從QK97往QK115方向水平距離0.0 m～12.1 m區(qū)域電磁波呈高吸收、低波速現(xiàn)象，推測為半充填溶洞，洞內(nèi)充填水，底部存在少量碎石土。溶洞從QK115往QK97方向呈現(xiàn)從淺部向深部發(fā)育的趨勢，在QK97孔深-32.9 m～-37.2 m段與鉆孔QK97相交；2) QK97孔深-43.7 m～-46.5 m段，從QK97往QK115方向水平距離 5.0 m～9.7 m段；3) QK97孔深-50.0 m～-52.0 m段，從QK97往QK115方向水平距離2.7 m～5.3 m兩處區(qū)域電磁波呈高吸收、低波速現(xiàn)象，推測為溶蝕裂隙，可能存在溶洞。

在QK113和QK99探測斷面中，通過綜合分析圖4中地層巖體的波速與衰減系數(shù)分布特征，對比鉆孔資料，發(fā)現(xiàn)2處異常區(qū)：1) 在QK113孔深-26.3 m～-39.5 m段，從QK113往QK99方向水平距離3.2 m～12.7 m區(qū)域電磁波呈高吸收、低波速現(xiàn)象，推測為半充填溶洞，洞內(nèi)充填水，底部存在少量碎石土。溶洞從QK113往QK99方向呈現(xiàn)從淺部向深部發(fā)育的趨勢；2) QK113孔深-43.7 m～-46.9 m段，從QK113往QK99方向水平距離0.0 m～8.0 m區(qū)域電磁波呈高吸收、低波速現(xiàn)象，推測為溶蝕裂隙，可能存在溶洞。

(a) 波速 (b) 衰減系數(shù) (c) 地質(zhì)解譯

圖3 QK97和QK115跨孔電磁波層析成像成果及地質(zhì)解譯

Fig.3 Results of QK97 & QK115 cross-hole electromagnetic wave tomography and geological interpretation map

(a) 波速 (b) 衰減系數(shù) (c) 地質(zhì)解譯

圖4 QK113和QK99跨孔電磁波層析成像成果及地質(zhì)解譯

Fig.4 Results of QK113 & QK99 cross-hole electromagnetic wave tomography and geological interpretation map

根據(jù)層析成像成果，在2對跨孔電磁波層析成像剖面的交點位置布置了驗證鉆孔QK106，鉆孔揭露顯示，在QK106孔深-24.5 m～-32.6 m區(qū)域發(fā)現(xiàn)溶洞，溶洞呈空洞狀態(tài)，底部充填0.7 m粘土。孔深-41.8 m～-43.6 m段巖芯呈碎塊狀，與QK97和QK115探測斷面中，QK97孔深-43.7 m～-46.5 m段，從QK97往QK113方向水平距離5.0 m～9.7 m及QK113孔深43.7 m～46.9 m段，從QK113往QK99方向水平距離0.0 m～8.0 m區(qū)域2處異常位置基本一致。

根據(jù)本次跨孔電磁波層析成像探測成果，結(jié)合鉆孔資料，測區(qū)范圍內(nèi)存在2處明顯的巖溶，從高程上分為上下2部分，淺部區(qū)域的巖溶表現(xiàn)為半充填溶洞，高程在1 222.5 m～1 203.0 m之間，在空間上展現(xiàn)為QK113、QK115方向高，QK97、QK99方向低的分布特征；深部區(qū)域的巖溶表現(xiàn)為溶蝕裂隙，高程在1 199.2 m～1 191.2 m之間，呈水平方向發(fā)育，與巖層產(chǎn)狀基本一致，故推斷為溶蝕裂隙，為地下水的運移通道。

本次電磁波層析成像剖面圖中的異常區(qū)域與鉆孔QK97、QK106揭示的深度并不能完全吻合，分析原因主要有以下幾點：

1) 地下巖溶與圍巖之間的物性差異較小，無法分辨。

2) 電磁波行時間最短路線，與剖面方向可能不一致。

3) 存在分辨率不夠的問題，可采用加密測點，增加測網(wǎng)密度或選用不同角度的鉆孔進行多方位的探測。

4) 反演算法存在差異，不同的數(shù)據(jù)成像方法側(cè)重點不同，效果差異較大。

4 結(jié)束語

1) 地質(zhì)勘察應結(jié)合地調(diào)、測繪、物探及鉆孔等多種手段綜合進行。在工程實踐中，先采用地調(diào)、測繪及物探等方法查明場區(qū)的巖土界面及巖溶的規(guī)模及發(fā)育規(guī)律，后采用鉆探詳細查明巖溶的位置及分布情況，對如特大橋一類特殊結(jié)構(gòu)工程的地基基礎(chǔ)，此時可采用鉆探加孔內(nèi)物探的組合方式，精確定位巖溶的空間分布情況。

2) 電磁波層析成像探測適宜的前提是目標體與圍巖之間要有明顯的速度與吸收系數(shù)差異，才能明顯分辨界線。相比于完整灰?guī)r區(qū)，電磁波在巖溶區(qū)的速度明顯降低，吸收系數(shù)顯著增高，這是由于巖溶區(qū)內(nèi)存在水和充填物，電磁波在基巖與水、充填物中的速度與吸收系數(shù)差異較大，因此，該法適用于探測巖溶分布。

3) 波速與衰減系數(shù)作為電磁波在介質(zhì)中傳播的2種特性，所測數(shù)據(jù)是相對值，不同工區(qū)要結(jié)合實際情況具體分析，才能得到真實可靠的信息。

4) 鉆孔間距也是影響電磁波層析成像探測精度的重要因素，不同巖性的地層，電磁波透射能力不同，因此，要想獲取理想的數(shù)據(jù)，孔間距的選擇非常重要。

本次實踐成果表明，該方法在復雜條件下的地質(zhì)勘察中，能夠彌補鉆探探測范圍狹小、耗時長、成本高等諸多局限，且能指引鉆孔的布置，對局部地區(qū)巖溶的分布情況能較為直觀地展示，既節(jié)約了成本，又提高了效率。