歐元超，胡富彭，譚 磊，姜寒陽(yáng)，陳興海

(1.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.南京南大巖土工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210000；3.浙江省水利河口研究院(浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院)，浙江 杭州 310020；4.安徽惠洲地質(zhì)安全研究院股份有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引言

在我國(guó)南方城市地鐵施工過(guò)程中，若未進(jìn)行地質(zhì)異常預(yù)報(bào)，經(jīng)常遭遇巖溶等不良地質(zhì)條件，引發(fā)突涌水(泥)、巖溶冒落等災(zāi)害，危及地表路基、建筑物及地下工程結(jié)構(gòu)安全。因此，對(duì)地鐵沿線隱伏溶洞等異?？臻g進(jìn)行超前精準(zhǔn)探測(cè)，是杜絕重大地質(zhì)隱患、確保地鐵隧道施工安全的重要工作[1]。目前，地球物理勘探技術(shù)測(cè)試速度快、施工成本低、探測(cè)精度高、對(duì)地?zé)o(微)損，是工程地質(zhì)隱伏異常探測(cè)首選方法[2-3]。其中，在電法探測(cè)研究領(lǐng)域成果較顯著[4-6]：鄭智杰等[7]針對(duì)巖溶區(qū)復(fù)雜地形及地質(zhì)條件，開(kāi)展高密度電法物理實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)，掌握不同地形巖溶管道電性響應(yīng)差異特征；歐元超等[8]通過(guò)構(gòu)建室內(nèi)水槽實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停接懖煌呦蚣奥裆顜r溶管道和溶洞，偏離探測(cè)斷面過(guò)程中電性響應(yīng)特征；孟凡松等[9]針對(duì)二維高密度電法探測(cè)溶洞異?？臻g形態(tài)不足，將多剖面二維數(shù)據(jù)做三維反演，實(shí)現(xiàn)地下空間結(jié)構(gòu)立體可視化成像。當(dāng)電法勘探應(yīng)用于城市地質(zhì)探查，通常采用跨孔電阻率CT測(cè)試方法：李術(shù)才等[10]為提高跨孔電阻率CT探測(cè)效果，構(gòu)建3種典型異常地電模型，通過(guò)分析響應(yīng)規(guī)律提出多種測(cè)試及解釋方法；胡富彭等[11]通過(guò)改變孔距、電極距，構(gòu)建不同充填介質(zhì)溶洞地電模型，分析各模型跨孔電阻率CT地電響應(yīng)特征及規(guī)律；劉征宇等[12]基于約束反演理論，將地質(zhì)雷達(dá)獲得的不完整目標(biāo)體邊界資料作為先驗(yàn)約束信息，融入跨孔電阻率CT反演方程，使溶洞異常邊界識(shí)別效果得到顯著提高。

三維跨孔電阻率CT測(cè)試能準(zhǔn)確獲取地質(zhì)異常三維數(shù)據(jù)信息，但受勘探成本及道路車(chē)輛通行影響，真三維跨孔電性數(shù)據(jù)獲取難度較大，因此，提出基于二維跨孔電阻率CT勘探數(shù)據(jù)的三維聯(lián)合反演方法。本文基于跨孔電阻率CT反演理論，采用有限差分法和最小二乘法進(jìn)行正演建模與反演計(jì)算，研究溶洞二維跨孔測(cè)量剖面空間位置及偏移距與電阻率響應(yīng)變化規(guī)律；并進(jìn)行三維聯(lián)合反演成像及溶洞空間分布可視化效果對(duì)比，研究結(jié)果可為城市地鐵隱伏地質(zhì)災(zāi)害超前精準(zhǔn)探測(cè)提供理論參考。

1 跨孔電阻率CT基本工作原理

1.1 工作原理

二維跨孔電阻率CT探測(cè)技術(shù)[13]主要包括以下2個(gè)步驟：在2個(gè)地面鉆孔中布置一定數(shù)量工作電極，通過(guò)多芯電纜連接至地面儀器，兩鉆孔間電極形成孔間電極陣列；當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，對(duì)其中部分電極供電，剩余電極作為測(cè)量電極，采集測(cè)量電極電壓及電流值；利用軟件預(yù)處理得到的視電阻率值進(jìn)行反演成像計(jì)算，最終得到兩孔間電阻率分布。地鐵施工過(guò)程中前方隱伏溶洞二維跨孔電阻率CT超前地質(zhì)探測(cè)如圖1所示?？缈纂娮杪蔆T探測(cè)更接近地下目標(biāo)體，且受外界干擾較小，測(cè)量結(jié)果可靠，是地鐵施工探測(cè)隱伏地質(zhì)異常常用方法。

圖1 隱伏溶洞二維跨孔電阻率CT超前地質(zhì)探測(cè)Fig.1 Schematic diagram for advanced geological detection of forward concealed karst caves by two-dimensional cross-hole resistivity CT

1.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

跨孔電阻率CT探測(cè)深度與介質(zhì)分辨能力優(yōu)于常規(guī)地表電阻率勘探?？缈纂娮杪蔆T將所有工作電極布設(shè)于鉆孔中，避免接地電阻高、數(shù)據(jù)干擾大、影響車(chē)輛正常通行等問(wèn)題。此外，跨孔電阻率CT測(cè)試技術(shù)施工成本相對(duì)較低，鉆孔結(jié)構(gòu)不受破壞且可重復(fù)利用。因此，利用跨孔電阻率CT法探測(cè)異常地質(zhì)狀況可行。

2 數(shù)值模擬

本文以城市地鐵隱伏地質(zhì)災(zāi)害(溶洞)二維跨孔電阻率CT超前探測(cè)為工程背景，構(gòu)建多組投影位置及偏移距不同的溶洞地電模型，研究二維跨孔電阻率CT溶洞探測(cè)旁側(cè)效應(yīng)變化規(guī)律，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)跨孔電阻率CT測(cè)試條件，合理設(shè)計(jì)數(shù)值模擬鉆孔參數(shù)。

2.1 溶洞地電模型構(gòu)建

基于AGI EarthImager 3D軟件模擬平臺(tái)[14]，構(gòu)建4組剖面投影位置及偏移距不同的溶洞地電模型，編號(hào)A1～A4，溶洞模型為6 m×4.8 m×6 m的低阻(電阻率為25 Ω·m)長(zhǎng)方體，圍巖電阻率300 Ω·m。4組溶洞模型跨孔剖面投影位置如圖2(a)所示。以A1組溶洞模型為例，A1-a至A1-j偏移過(guò)程立體示意如圖2(b)所示。由圖2(b)可知，A1-a空間坐標(biāo)為(10,-15,0),由A1-a至A1-j模型每次偏移2 m，共偏移9次，偏移最遠(yuǎn)至A1-j，空間坐標(biāo)為(10,-15,18)，A2～A4 3組溶洞模型偏移過(guò)程相同。

2.2 模擬結(jié)果分析

為直觀分析二維跨孔電阻率CT受旁側(cè)效應(yīng)影響地電場(chǎng)響應(yīng)變化規(guī)律。選取4組溶洞模型中心位置處一維縱向數(shù)據(jù)，如圖3所示，a～j分別為4組溶洞模型10次偏移過(guò)程編號(hào)。4組溶洞模型中心處最小電阻率曲線如圖4所示。

圖2 溶洞模型空間分布及偏移過(guò)程示意Fig.2 Schematic diagram for spatial distribution and migration process of karst cave model

圖3 低阻異常區(qū)一維縱向數(shù)據(jù)曲線Fig.3 One-dimensional Longitudinal data curve in low resistance abnormal region

由圖3可知，隨溶洞模型偏離跨孔剖面，各組數(shù)據(jù)呈現(xiàn)異常位置處電阻率逐漸增大、旁側(cè)響應(yīng)強(qiáng)度持續(xù)減弱的趨勢(shì)，但異常區(qū)沒(méi)有發(fā)生明顯向上或向下偏移，因此，二維跨孔電阻率CT對(duì)隱伏地質(zhì)異常埋深探測(cè)準(zhǔn)確性較高。A1，A2組溶洞模型電阻率整體小于A3，A4組，尤其是溶洞距離跨孔探測(cè)剖面較近時(shí)，投影位置不同使電性響應(yīng)強(qiáng)度存在較大差異。由圖4可知，編號(hào)a～d段各組電阻率差異明顯，A3，A4組模型電阻率整體高于A1，A2組模型；但隨溶洞模型偏移距增大，電阻率逐上升趨勢(shì)漸減小，當(dāng)偏移至j時(shí)，電阻率趨于一致；隨溶洞模型逐漸偏移跨孔剖面，電阻率值整體表現(xiàn)為前期緩慢(a～d)、中期迅速(d～h)、后期減緩并最終趨于穩(wěn)定(h～j)的非線性增加趨勢(shì)。由圖3～4可知，溶洞模型二維跨孔電阻率CT探測(cè)旁側(cè)響應(yīng)有效范圍約8 m。

圖4 4組溶洞模型中心處最小電阻率Fig.4 Minimum resistivity at center of four groups of karst cave model

3 工程實(shí)例分析

3.1 工程概況及測(cè)試

以杭州至富陽(yáng)城際鐵路工程為背景，利用二維跨孔電阻率CT法探測(cè)線路內(nèi)隱伏溶洞發(fā)育情況。前期勘察結(jié)果顯示，工區(qū)內(nèi)溶隙、溶洞等非常發(fā)育且相互連通，空間分布復(fù)雜，厚度為1.4～7.6 m，溶洞多被充填，充填物主要為含碎石粉質(zhì)黏土、黏性土和水；部分鉆孔漏漿嚴(yán)重或發(fā)生巖芯溶蝕，推測(cè)沿線內(nèi)存在隱伏溶洞。為確保地鐵隧道施工安全，需進(jìn)一步探測(cè)溶洞等不良地質(zhì)體空間位置及形態(tài)特征。

在地鐵隧道上方已施工鉆孔ZK3，ZK4，ZK5內(nèi)，各布置1套電法大線，將測(cè)試孔ZK3，ZK4，ZK5每2個(gè)為1組，采用網(wǎng)絡(luò)并行電法動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)儀[15]采集二維跨孔電阻率CT數(shù)據(jù)，并進(jìn)行三維聯(lián)合反演成像。測(cè)試鉆孔相對(duì)位置及鉆孔巖性柱狀圖如圖5～6所示。

3.2 探測(cè)結(jié)果分析

跨孔電阻率CT探測(cè)技術(shù)需借助已有鉆孔資料數(shù)據(jù)與探測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合對(duì)比分析。由于鉆孔ZK4，ZK5底部淤泥等異物阻塞，測(cè)試電纜不能完全置于孔底，反演結(jié)果僅展示淺地質(zhì)體(探測(cè)深度0～37 m)二維跨孔電阻率CT數(shù)據(jù)。

圖5 測(cè)試鉆孔相對(duì)位置Fig.5 Relative position of testing borehole

圖6 鉆孔巖性Fig.6 Borehole lithology

二維跨孔電阻率探測(cè)剖面如圖7所示。由圖7可知，探測(cè)深度為0～15 m時(shí)，橫向電阻率分布差異明顯；ZK3與ZK4間電阻率整體偏高，由圖6可知，該位置剖面含黏性土卵石層分布且厚度較大；探測(cè)深度為15～37 m時(shí)，存在3處明顯相對(duì)低阻異常區(qū)，在ZK4與ZK5附近低阻區(qū)橫向分布范圍較大，疑似溶洞發(fā)育區(qū)，可能存在相互連通，如圖7中4號(hào)區(qū)域所示；結(jié)合鉆孔資料可知，區(qū)域1～3號(hào)相對(duì)低阻異常區(qū)存在溶洞發(fā)育，但探測(cè)結(jié)果無(wú)法預(yù)測(cè)其空間發(fā)育狀態(tài)，極大限制二維跨孔電阻率CT在城市地鐵超前地質(zhì)精準(zhǔn)探測(cè)方面應(yīng)用效果。

圖7 二維跨孔電阻率探測(cè)剖面Fig.7 Detection profile of 2D cross-hole resistivity

ZK3～ZK4跨孔三維聯(lián)合反演溶洞空間形態(tài)主視圖與俯視圖如圖8(a)～(b)所示。對(duì)比圖7可知，隨鉆孔位置向剖面中心靠近，巖溶區(qū)1、2電阻率沒(méi)有明顯增大，根據(jù)旁側(cè)效應(yīng)推測(cè)巖溶區(qū)1、2距離剖面較近，該結(jié)果與與圖8(a)溶洞空間展布結(jié)果一致。由圖8(b)可知，距鉆孔ZK3、ZK4剖面約10～30 m處有溶洞3發(fā)育，但圖7該位置處并未出現(xiàn)，說(shuō)明該組剖面原始二維跨孔數(shù)據(jù)并未探測(cè)到溶洞3，探測(cè)距離超出二維跨孔電法旁側(cè)效應(yīng)有效影響范圍。

圖8 跨孔ZK3～ZK5三維聯(lián)合反演溶洞空間發(fā)育形態(tài)主視圖與俯視圖Fig.8 Front view and top view for development morphology of karst cave space through three-dimensional combined inversion of cross-hole ZK3～ZK5

鉆孔ZK4～ZK5三維聯(lián)合反演溶洞空間形態(tài)主視圖和俯視圖如圖8(c)～(d)所示。圖8(c)相對(duì)低阻區(qū)4電阻率介于溶洞與圍巖土體之間，圖8(d)同樣位置處為溶洞通道且連通溶洞2和3，距離ZK4～ZK5跨孔剖面約4 m，說(shuō)明二維跨孔電阻率剖面能夠顯示異常區(qū)，但無(wú)法準(zhǔn)確圈定溶洞空間展布形態(tài)，三維聯(lián)合反演立體分布圖，能較好展示溶洞空間形態(tài)，有效解決上述問(wèn)題。

跨孔ZK5～ZK3三維聯(lián)合反演溶洞空間形態(tài)主視圖和俯視圖如圖8(e)～(f)所示。由圖7 ZK5～ZK3段探測(cè)結(jié)果可知，跨孔剖面外側(cè)存在溶洞2，但因其距離剖面較遠(yuǎn)，在圖8中沒(méi)有顯示；溶洞1和3分別位于鉆孔ZK3和ZK5附近，因距離鉆孔較近，在圖8立體圖中比較容易識(shí)別。

綜上，多孔三維電阻率聯(lián)合成像能夠直觀展示隱伏溶洞等不良地質(zhì)體空間發(fā)育及相互連通情況，可為地質(zhì)隱患有效探測(cè)及治理提供理論參考。

4 結(jié)論

1)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，溶洞模型距二維跨孔探測(cè)剖面較近時(shí)，因投影至剖面位置不同，導(dǎo)致探測(cè)效果差異較大；但隨溶洞模型偏移距持續(xù)增加，差異逐漸減小并最終趨于一致。

2)旁側(cè)響應(yīng)變化規(guī)律受溶洞偏移距影響，電阻率整體表現(xiàn)為前期緩慢、中期迅速、后期減緩并最終趨于穩(wěn)定的非線性上升趨勢(shì)，溶洞模型旁側(cè)效應(yīng)影響范圍約8 m。

3)通過(guò)將二維跨孔電阻率數(shù)據(jù)體進(jìn)行多孔三維聯(lián)合反演成像，精確展示溶洞空間發(fā)育形態(tài)，為二維跨孔電阻率CT方法在城市地鐵超前地質(zhì)災(zāi)害精準(zhǔn)探測(cè)、成像及解釋方面的應(yīng)用提供可靠依據(jù)。