林偉雄

(福建省建研工程顧問有限公司 福建福州 350100)

0 引言

龍巖市屬于福建省巖溶發(fā)育地區(qū)[1]，溶洞地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重威脅地下隱蔽工程的施工安全[2]。電磁波CT方法近年來廣泛應(yīng)用于地下巖溶勘察且成效良好，其中不乏對于礦產(chǎn)溶洞位置的探測[3]、管道基底溶洞分布延伸探測[4]、既有建筑持力層溶洞探測[5]、地鐵隧道的孤石探測[6]以及溶洞治理結(jié)果的探測[7]。在前人的探測和研究分析中，都為實際工程提供了準(zhǔn)確度較高的探測結(jié)果。

本文研究的龍巖某大橋主橋區(qū)域巖溶強烈發(fā)育，導(dǎo)致樁基施工異常困難，嚴(yán)重影響工期?；?，在前人研究的基礎(chǔ)上，以電磁波CT技術(shù)和鉆探相結(jié)合的方式，對巖溶分布位置、大小和聯(lián)通情況進行相互驗證，以更好地擬合溶洞空間形態(tài)和指導(dǎo)主橋墩臺樁基的樁長以及樁徑的優(yōu)化工作。

1 工程概況

現(xiàn)場CT剖面布置如圖1所示，圖中ZKi為CT電磁波鉆孔，連線為電磁波CT剖面線，余下部分為主橋墩承臺位置。

圖1 CT剖面布置示意圖

主橋墩位置及其周邊，采用方格網(wǎng)布置CT電磁波鉆孔，其工序一先利用鉆探機械對ZK1～ZK14鉆孔進行逐一成孔，其次對所有的14個鉆孔進行兩兩配對電磁波CT探測。本次勘查共計布設(shè)剖面數(shù)44對，發(fā)射孔、接收孔起止深度均為40～90m，發(fā)射及接受點距為1m，以查明主橋墩向周邊輻射半徑約50m范圍內(nèi)的溶洞發(fā)育情況，包括溶腔橫縱的發(fā)育情況、形狀大小以及溶洞內(nèi)是否存在支撐體情況等。

2 電磁波CT法工作原理

電磁波CT法是利用無線電波在兩個鉆孔中分別發(fā)射和接收，如圖2所示。根據(jù)不同位置上接收的場強大小，確定地下不同介質(zhì)分布的一種地下地球物理測試方法。

圖2 電磁波CT技術(shù)原理示意圖

式(1)為電磁波CT法中的場強觀測值公式：

(1)

(2)

式(1)表明γ將E0衰減到E，其中介電常數(shù)εr、介質(zhì)電阻率σ、電磁波頻率f以及磁導(dǎo)率μr決定了吸收系數(shù)β。當(dāng)介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率μr一定時，吸收系數(shù)β主要與介質(zhì)電阻率ρ有關(guān)。介質(zhì)電阻率越低，吸收系數(shù)就越大，即介質(zhì)稀疏。由此可見，通過吸收系數(shù)可判斷巖體的電阻率特征。

由于大多數(shù)巖石的相對磁導(dǎo)率對衰減系數(shù)影響很小，影響衰減系數(shù)大小的主要因素，是工作頻率，相對介電常數(shù)與介質(zhì)的電導(dǎo)率。當(dāng)圍巖與目標(biāo)地質(zhì)體(如溶洞、不同巖性的土洞等)的相對介電常數(shù)相差較大時，它們之間的衰減系數(shù)就會有明顯的區(qū)別，由此便可以利用電磁波衰減系數(shù)層析成像技術(shù)來探測溶洞。

3 電磁波CT圖像解譯

對現(xiàn)場所采集的數(shù)據(jù)進行資料預(yù)處理，經(jīng)電磁波CT反演軟件處理，形成解釋圖件，最終根據(jù)解釋圖件對電性異常帶進行地質(zhì)解釋。電磁波資料的處理，采用計算機層析成像技術(shù)進行孔間電磁波吸收系數(shù)的成像。經(jīng)反演計算電磁波圖可得到視吸收系數(shù)彩色β值分布，圖中采用β值等值線予以表示。等值線間區(qū)域顏色由灰度、色譜等圖示方法加以表示。β值越小，介質(zhì)對電磁波的吸收越小，介質(zhì)的性狀越好。β值越大，介質(zhì)對電磁波的吸收越大，介質(zhì)的性狀越差。

本次探測的目標(biāo)體為溶洞，根據(jù)電磁波吸收率等值線圖，推斷異常體的存在與否，巖溶發(fā)育在電磁波吸收率等值線圖大多呈高吸收率閉合圈。

選取ZK5-10-11-12-3勘探線進行分析。圖3～圖6為該勘探線上的鉆孔剖面電磁波吸收率等值線圖及其對應(yīng)的鉆孔剖面地層分布圖，等值線圖中圈出來的閉合區(qū)域為異常區(qū)域，數(shù)字為異常編號。

圖3 ZK10-ZK05剖面

圖4 ZK11-ZK10剖面

圖5 ZK11-12剖面

圖6 ZK12-ZK03剖面

由圖3～圖6可看出，各鉆孔電磁波吸收率分布特征為：ZK5在276～288m深度范圍內(nèi)吸收率略有增大，即閉合區(qū)域1，吸收率為0.1～0.4dB/m。圖3中，ZK10在264～271m和285～288m深度范圍內(nèi)吸收率增大至0.1～0.4dB/m，即閉合區(qū)域2、3；圖4中，同為ZK10鉆孔的271～274m和281～284m深度范圍內(nèi)，β值為0.5～0.6dB/m，異常區(qū)域編號為4、5。由此可知，鉆孔10在不同勘探方向電磁波吸收系數(shù)β存在差異。圖4中，ZK11吸收率多處存在變化，在深度236～249m、253～264m和268～283m深度范圍內(nèi)吸收率最大，處于0.5～1.0dB/m范圍。圖5中，ZK11僅在255～272m深度范圍內(nèi)存在異常，吸收率在0.4～0.6dB/m范圍，再次證明同一鉆孔不同勘探方向電磁波吸收率存在差異。圖5中，ZK12在244～251m深度范圍內(nèi)吸收率0.5～0.6dB/m，與圖6中ZK12不僅異常區(qū)域深度一致，且吸收率相同，可知編號12和編號13為同一異常區(qū)域。ZK3在250～259m、269～283m深度范圍內(nèi)吸收率為0.5～0.6dB/m。

對照鉆孔剖面圖，ZK5鉆孔揭示在275～282m深度范圍存在小溶洞，溶洞位于微風(fēng)化石灰?guī)r地層，與電磁波吸收率等值線圖基本吻合；ZK10鉆孔發(fā)現(xiàn)多處位于不同深度的小溶洞，溶洞分布較為細(xì)碎、不完整，而電磁波吸收率圖顯示出兩處完整溶洞，編號2(4)和3(5)，二者結(jié)果相差較大，但可考慮將鉆孔同深度范圍的小溶洞合并成一個，吻合程度可視為一般；由圖4可看出，ZK11溶洞發(fā)育范圍多且大，鉆孔揭示的溶洞主要發(fā)育在深度260～300m范圍，溶洞延伸至ZK10，與電磁波等值線圖相比，溶洞數(shù)量少了9號區(qū)域，二者吻合程度較高；由圖5看，ZK11溶洞少且小，但鉆孔顯示有個大溶洞，從260m深度一直延伸到300m深度，為此推測異常區(qū)域10和12可能為同一溶洞，連通成圖中紅色區(qū)域，與鉆孔吻合程度較大；分析圖6中異常區(qū)域13，與鉆孔246～253m深度的溶洞形狀基本一致，標(biāo)高相同，二者吻合程度高；ZK3中異常區(qū)域15～17，在鉆孔里均無對應(yīng)溶洞，可推測這3處異常區(qū)域可能并非溶洞,而是節(jié)理裂隙發(fā)育地帶，總體而言二者吻合度差。以上對比結(jié)果如表1所示。

由以上分析可知，電磁波技術(shù)和鉆探技術(shù)均能揭示地層中溶洞的發(fā)育，但由于人為判定的誤差，二者探測結(jié)果并非完全一致。鉆探存在孔間探測盲區(qū)，若結(jié)合電磁波CT技術(shù)可以更好地揭示溶洞發(fā)育的位置、形狀和程度。根據(jù)電磁波吸收率等值線圖繪制250m高程電磁波吸收率等值線平面圖(圖7)，圖中紅色虛線區(qū)域電磁波吸收系數(shù)相對周圍介質(zhì)有明顯提高，推測為巖溶連通區(qū)域。從圖中可以看出紅色虛線區(qū)域較大，該區(qū)域巖溶連通性較好，推測為連通型巖溶。

表1 電磁波CT與鉆探結(jié)果對比表

圖7 250m高程電磁波吸收率等值線平面圖

4 結(jié)論

綜上分析，由于本次設(shè)計橋梁上部荷載較大，承臺內(nèi)溶洞為連通性溶洞，零星分布支撐體，因此提出，樁基施工應(yīng)穿越溶洞進入下部微風(fēng)化花崗閃長巖一定深度的結(jié)論性建議。此外，還得出以下幾個結(jié)論：

(1)電磁波CT技術(shù)在探測溶洞、破碎帶和節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)等的大小、形狀和空間分布具有圖像直觀、信息豐富等優(yōu)點；

(2)電磁波CT探測結(jié)果與地質(zhì)鉆孔結(jié)果基本一致，比地質(zhì)鉆孔探測面更廣，可作為地質(zhì)鉆孔孔間盲區(qū)的補充；

(3)溶洞或節(jié)理裂隙發(fā)育帶電磁波吸收率一般大于0.4dB/m，但吸收率高的區(qū)域不一定就是溶洞，需結(jié)合多種手段進行判定。