袁細平

(長沙市規(guī)劃勘測設計研究院，湖南 長沙 410007)

1 引 言

隨著城市經(jīng)濟的不斷發(fā)展，長沙地鐵開始大規(guī)模建設。長沙市軌道交通1號線一期工程KC-1標段營盤路站-五一廣場站區(qū)間里程YCK17+50～YCK17+800段，根據(jù)鉆探結果，巖溶發(fā)育，但鉆探成果不能完整反映巖溶空間分布情況。為了詳細查明巖溶空間分布情況，經(jīng)過對各種物探方法的對比，最終采用跨孔電磁波CT及地震映像法對巖溶段進行了探查，通過綜合分析給出了巖溶空間分布情況。

2 探測實例

2.1 工程概況及地質概況

測區(qū)位于長沙市黃興路(中山亭至五一廣場之間)，靠近五一廣場一側，由于軌道2#線五一地鐵站正在施工，部分道路封閉，為現(xiàn)場物探工作提供了一定有利的條件。由于測區(qū)仍能行車，以及附近施工的干擾，對物探工作的影響仍然不可忽視。

測區(qū)內小里程方向(北邊)下伏為礫巖或砂巖，大里程方向(南邊)下伏為泥灰?guī)r，上覆雜填土、素填土、圓礫、砂及粉質黏土等。土石界面深度前期工作揭示為 17 m～ 20 m。

根據(jù)初步勘察鉆孔M1D2-YWD-008、M1Z2-YWD-009基巖為泥盆系泥灰?guī)r，且在M1Z2-YWD-009中存在巖溶發(fā)育，自上而下發(fā)現(xiàn)3個溶洞：第①個埋深 27.20 m～ 30.60 m，對應頂?shù)装鍢烁邽?17.30 m、 13.90 m，洞高 3.40 m，軟塑狀黏性土夾卵石半充填，漏水；第②個埋深 31.50 m～ 34.00 m，對應頂?shù)装鍢烁邽?13.00 m、 10.50 m，洞高 2.50 m，軟塑狀黏性土夾卵石半充填，漏水；第③個埋深 34.80 m～ 35.30 m，對應頂?shù)装鍢烁邽?9.70 m、 9.20 m，洞高 0.50 m，軟塑狀黏性土夾卵石半充填，漏水。綜合地鐵2號線五一廣場站的勘察資料，本標段內巖溶發(fā)育區(qū)段大致為YAK17+550～YAK17+800。

2.2 地球物理特征

本次物探工作巖性為泥灰?guī)r，完整泥灰?guī)r的介電常數(shù)一般為6，對通過的電磁波表現(xiàn)為低吸收。當巖體內發(fā)育溶蝕風化帶(本區(qū)表現(xiàn)為泥化囊狀體、泥化夾層或含水平破碎帶)時，由于泥化或含水，其整體介電常數(shù)增大，對通過的電磁波表現(xiàn)為高吸收。強風化破碎帶或泥化夾層的介電常數(shù)大于8，電磁波吸收系數(shù)較大，說明完整泥灰?guī)r與泥化囊狀體、泥化夾層或含水平破碎帶之間物性差異顯著。當巖體中存在未充填的巖溶(空洞)時，空氣的介電常數(shù)為1。上述物性特征說明，測區(qū)完整泥灰?guī)r與強風化破碎帶或泥化夾層及未充填的巖溶(空洞)之間物性差異顯著，滿足鉆孔電磁波CT所需的吸收系數(shù)差異的物性工作條件。

2.3 物探方法的選取及其原理

在工程物探里，探測巖溶的方法有電法勘探、鉆孔內CT、地震映像、地質雷達、高頻大地電磁、瞬變電磁等。而在城市物探中，盡管各個地層之間存在明顯的電性差異，由于城區(qū)里管線密布，對電法或者電磁法的數(shù)據(jù)采集以及分析造成的巨大的影響，因此不建議使用電探方法作業(yè)。最為有效的方法是采用跨孔電磁波CT，其次相對可行的方法是采用地質地震映像。

本巖溶區(qū)采用跨孔電磁波CT與地質地震映象相結合的辦法。

3 跨孔電磁波CT

在相鄰兩個鉆孔中分別放置發(fā)射電磁波天線和接受電磁波天線，水平同時移動或有一定交角的同時移動測量方式。如圖1所示。每個孔都與對側的孔兩兩配對形成CT網(wǎng)。在兩個鉆孔中同時進行測量，用以探測出隧道兩側兩鉆孔間巖溶的位置及規(guī)模。為了滿足勘探精度的要求，其兩鉆孔間距不大于 20 m。在詳勘階段進行該方法勘探，以保證該路段設計時控制成本以及確保施工安全。

但工區(qū)位于長沙市繁華的黃興路上，受車輛、行人的振動影響比較大。需在受振動影響相對較少時進行外業(yè)作業(yè)，也就是在凌晨1：00到5：00間進行夜間數(shù)據(jù)采集。

跨孔電磁波CT在隧道黃興路段兩側41個鉆孔內進行，共89對，按測試間距不大于 20 m控制。垂直向依據(jù)初勘資料初步設定為 15 m(18.00 m～33.00 m)，測試間距為 1.0 m。

圖1 跨孔電磁波CT網(wǎng)示意圖

電磁波CT資料處理：

CT數(shù)據(jù)采集完成后，用下述方法反演計算，重建兩鉆孔間斷面的吸收系數(shù)二維圖像。由電磁波理論知道，在各向同性均勻巖體中，當在一鉆孔中發(fā)射電磁波，另一鉆孔中接收電磁波時，若發(fā)射天線長度遠小于兩鉆孔間距離，則接收到的電磁波場強為：

(1)

式中：E為相距R處接收到的電場強度，E0是發(fā)射天線處初始輻射常數(shù)，fS(θS)和fr(θS)分別是發(fā)射和接收天線的方向發(fā)布函數(shù)，θS為天線的輻射角度，l為射線路徑，dl為積分元，β為介質的吸收系數(shù)，經(jīng)變換：

(2)

對于(2)式中的投影函數(shù)A進行圖像重建可求出目標函數(shù)β。具體算法即把圖像劃分成M個互不重疊的像元，以各像元內的重建結果組成數(shù)字圖像：

∑DijXj=Yi

(3)

式中Dij為第i條射線在第j個像元中的長度，Yi是第i條射線迭代計算值與實測值之差，Xj即要求的第j個像元中的衰減系數(shù)β，上述方程實際上是求解一個大型稀疏矩陣議程組。具體算法有：反投影法(BPT)、代數(shù)重建法(ART)、聯(lián)立迭代重建法(SIRT)和正交變換投影法(LSQR)等等。本次反演方法為聯(lián)立迭代重建法。

4 地質地震映像

根據(jù)各個地層的縱橫波速和天然密度估計值，就縱波反射而言，黏土-礫石土之間、礫石土-基巖之間、強風化巖體-中風化巖之間、中風化巖-微風化巖之間界面存在明顯波阻抗差異的地層界面(強反射界面)。由于地表混凝土路面與下伏黏土層波阻抗差異大，對地表激發(fā)的縱波的向下傳播有一定影響。中風化巖一般較薄，中風化巖縱波波速高，與上覆土層有明顯的波阻抗差異，反射波易于分辨，最明顯的反射界面為中風化巖頂面。

在工區(qū)測繪及鉆探揭露的地層中，各土層以及基巖之間，物性差異明顯，為地球物理勘探提供了良好的前提條件。密度和速度差異：粉質黏土層速度 0.4 km/s～ 0.9 km/s，圓礫土層速度 0.8 km/s～ 1.5 km/s，基巖速度 2.5 km/s～ 4.6 km/s，

形成良好的物性分界面，使用淺層地震反射波勘探方法確定基巖界面以及劃分不良地質段可以取得良好的效果。

根據(jù)工區(qū)條件，使用地質地震映像的方法進行作業(yè)。但工區(qū)位于長沙市繁華的黃興路上，受車輛、行人的振動影響比較大。需在受振動影響相對較少時進行外業(yè)作業(yè)，也就是在凌晨1：00到5：00間進行夜間數(shù)據(jù)采集。在黃興路段兩側路邊(沿隧道方向)各布置一條測線(ZF1、ZF2)，共 600 m長，測點間距為 0.5 m。

對于地質地震映像，由于目前爆破物品管制，無法采用炸藥爆破做震源，因此，擬采用地質地震映像(1次覆蓋)方法，相對地震多次覆蓋的方法，這個方法能量相對較弱，對異常反應能力較差。為保證勘探精度，檢波間距 0.5 m，資料處理后的剖面點距為 0.5 m，偏移距根據(jù)現(xiàn)場試驗確定。

根據(jù)選定原則：跨孔電磁波CT及地質地震映像布置示意圖如圖2所示。

圖2 跨孔CT及地震映像測線布置示意圖

5 成果分析

5.1 地震映像分析

ZF1測線及ZF2測線在物探異常上的對應性很明顯，其中ZF1測線的YCK17+622～YCK17+654與ZF2的YCK17+618～YCK17+649相對應。該地段基巖附近地震反射波的能量時強時弱，表明土石界面附近介質存在密度上的差異，導致彈性波能量吸收不均勻。根據(jù)資料成果，推測該段為小規(guī)模溶蝕發(fā)育帶，主要以裂隙型溶蝕為主。ZF1測線的YCK17+710～YCK17+800段與ZF2測線的YCK17+705～+YCK17+800相對應。該地段土石界面附近的彈性波能量基本被吸收掉，在映像剖面上反射波不明顯，推測該地段溶蝕極為發(fā)育，以溶槽或溶腔類型為主。成果如圖3：地震映像ZF1、ZF2時間剖面圖。

圖3 地震映像ZF1、ZF2時間剖面圖

5.2 跨孔電磁波CT成果分析

限于篇幅原因，僅以M1W3-YWD-064中心孔對(與M1W3-YWD-060、063、065)為例進行成果分析(圖4：64-60，64-63，64-65孔間電磁波CT層析成像綜合解釋圖)：

圖4 64-60，64-63，64-65孔間電磁波CT層析成像綜合解釋圖

跨孔電磁波CT層析成像結果表明，以M1W3-YWD-064為中心的三對孔吸收系數(shù)異常較多，表明該區(qū)域巖溶十分發(fā)育?，F(xiàn)對各孔對分析如下：

M1W3-YWD-064與M1W3-YWD-060：連接孔M1W3-YWD-064標高 12.7 m～ 18.6 m與孔M1W3-YWD-060標高 11.5 m～ 14.6 m條帶狀區(qū)域內吸收系數(shù)明顯偏高，推測該帶狀區(qū)域溶巖溶十分發(fā)育，分析本孔對跟M1W3-YWD-061與063孔對交集出的異常帶，發(fā)現(xiàn)與本孔對垂直方向的巖溶帶淺逐漸尖滅。本孔對所測區(qū)域巖溶較發(fā)育，地質條件較差。

M1W3-YWD-064與M1W3-YWD-063：連接孔M1W3-YWD-064標高 12.7 m～ 18.6 m與孔M1W3-YWD-063標高 14.1 m～ 14.5 m條帶狀區(qū)域內吸收系數(shù)明顯偏高，推測該帶狀區(qū)域溶巖溶較發(fā)育。條帶狀區(qū)域靠近孔M1W3-YWD-064方向寬約 6 m，到孔M1W3-YWD-063時寬度減小到 0.4 m，本孔對所測區(qū)域巖溶較發(fā)育，地質條件較差。

M1W3-YWD-064與M1W3-YWD-065：連接孔M1W3-YWD-064標高 12.7 m～ 18.6 m與孔M1W3-YWD-065在標高 13.5 m～ 20.1 m條帶狀區(qū)域內吸收系數(shù)明顯偏高，推測該帶狀區(qū)域溶巖溶十分發(fā)育。本孔對所測區(qū)域巖溶非常發(fā)育，地質條件差。

圖5 綜合物探地質斷面圖

根據(jù)地震映像及跨孔電磁波CT成像資料成果，得出以下結論：

(1)左中線及右中線巖性分界位置分別在左中線的YCK17+531及右中線的YCK17+554；

(2)溶蝕不發(fā)育地段為：左中線YCK17+531～YCK17+622(右中線YCK17+554～+YCK17+618)及左中線的YCK17+654～YCK17+710(右中線YCK17+649～YCK17+705)；

(3)溶蝕發(fā)育地段：左中線YCK17+622～YCK17+654(右中線YCK17+618～YCK17+649)；溶蝕極發(fā)育地段：左中線YCK17+710～YCK17+800(右中線YCK17+705～YCK17+800)。

6 結 語

(1)2016年6月，該地鐵線已建成運營，根據(jù)綜合物探劃分的巖溶發(fā)育區(qū)，為后期盾構機選型及施工方案提供了依據(jù)，經(jīng)后期施工驗證，上述巖溶發(fā)育分區(qū)圖與實際情況基本相符。

(2)跨孔電磁波CT成像技術及地震映象是一種巖溶探測的有效手段，對于巖溶地區(qū)配合使用工程物探工作，從三維空間上彌補單一鉆探的不足，避免了工作的盲目性，減少了不必要鉆探工作量。