石 盼

(廣西交通設(shè)計集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

近幾年來，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，為廣西公路建設(shè)帶來了新浪潮，越來越多高等級公路建成通車運(yùn)營，大大便利了人們的出行。而同時，廣西是我國巖溶發(fā)育主要地區(qū)之一，巖溶遍布面廣，作為長距離線狀工程的公路建設(shè)無法避免穿越巖溶地區(qū)，巖溶地質(zhì)病害對公路路基的穩(wěn)定性影響越來越大，巖溶塌陷和不均勻沉降對運(yùn)營公路的運(yùn)行安全造成了巨大的威脅。發(fā)生巖溶地質(zhì)病害的公路路基，需進(jìn)行針對性加固處治，而是否能準(zhǔn)確探測隱伏巖溶地質(zhì)情況，直接影響到巖溶地質(zhì)病害處治方案是否科學(xué)合理、經(jīng)濟(jì)有效。因此，選擇科學(xué)合理的勘察方法，準(zhǔn)確查明巖溶地質(zhì)情況，顯得尤為重要。

以往工程實(shí)踐證明，工程物探是巖溶勘察有效的重要手段。物探方法種類多，不同物探方法往往具有不同的應(yīng)用條件及其優(yōu)缺點(diǎn)，且普遍存在多解性問題，對于施測環(huán)境復(fù)雜、探測精度要求高的運(yùn)營公路巖溶病害勘察，應(yīng)選用綜合物探方法相互印證，以規(guī)避或減小其多解性，提高探測精度與準(zhǔn)確度。綜合物探并不是多種方法的簡單疊加，也不是方法越多越好，而是應(yīng)該根據(jù)物探施工環(huán)境，針對不同的探測對象、探測目的以及各種物探方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行合理地組合。本文在分析運(yùn)營高速公路巖溶路基病害勘察特點(diǎn)與難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，選用高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)、電磁波CT三種物探方法進(jìn)行組合，取得了較好的探測效果，有效地查明了工區(qū)隱伏巖溶的發(fā)育規(guī)模、分布范圍和埋深等，為巖溶處治方案設(shè)計及施工提供了重要的地質(zhì)資料。經(jīng)分析認(rèn)為，該綜合物探模式是科學(xué)有效的，可為類似建筑工程的物探勘察提供有意義的參考。

1 測區(qū)工程地質(zhì)條件及巖溶地質(zhì)病害概況

廣西某高速公路K194+240～K194+310段路基巖溶病害段屬剝蝕丘陵地貌，自然地面高程在84～130 m，相對高差約45 m。場地內(nèi)覆蓋層為第四系人工堆積層(Qml)素填土及沖洪積層(Qal+pl)黏土，下伏基巖為泥盆系上統(tǒng)榴江組(D3l)中風(fēng)化灰?guī)r。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及鉆探揭示，勘察區(qū)未見區(qū)域性斷裂存在，亦未揭示構(gòu)造破碎帶，區(qū)域穩(wěn)定性較好。于勘察區(qū)附近出露巖體測得巖層產(chǎn)狀為65°/NW∠20°。

該路基2017年年底建成通車，路基以半填半挖形式通過。左幅為挖方段，局部已入巖。右幅為填方段，第四系覆蓋層相對較厚。2019-06-10，發(fā)現(xiàn)K194+257～K194+272左側(cè)碎落臺處出現(xiàn)兩處溶洞塌陷。K194+260處塌陷坑長6.0 m，寬4.2 m，深3.8 m；K194+270處塌陷坑長5.0 m，寬3.5 m，深4.3 m。兩處溶洞內(nèi)均無積水，施工單位采用C20混凝土回填溶洞。同時，右側(cè)路面K194+205～K194+235段及K194+265～K194+275段出現(xiàn)裂縫，裂縫長度分別為約30 m、10 m，裂縫延伸方向與路線方向平行，縫寬2～4 mm。施工單位已對裂縫進(jìn)行簡單封水處理。

為查明該路段地層結(jié)構(gòu)及隱伏巖溶發(fā)育情況，為巖溶病害處治方案設(shè)計與施工提供地質(zhì)依據(jù)，特開展本次物探勘察工作。

2 運(yùn)營公路物探勘察特點(diǎn)分析與方法選擇

本次物探工作場地位于運(yùn)營高速公路上，物探施工限于在不中斷公路交通運(yùn)輸?shù)臓顟B(tài)下進(jìn)行，宜采取分別封堵單一車道輪流作業(yè)的方式進(jìn)行，因此地面物探適宜布置縱測線，而不宜橫跨公路布置；硬化路面接地條件差，不宜開展直流電法；地質(zhì)雷達(dá)受公路電纜設(shè)施、護(hù)欄設(shè)施等電磁干擾影響大；地震類方法則受車輛頻繁通行振動干擾影響大；探測深度范圍大、探測精度要求高。由于路基為半挖半填型，巖面埋深起伏大，需同時探測淺部和深部巖溶，且精度要求高，需定量解釋溶洞形態(tài)及規(guī)模大小，才能滿足處治方案設(shè)計與施工要求。綜上所述，物探施測環(huán)境十分復(fù)雜，探測精度要求高，單一物探方法難以滿足探測需求。

針對以上勘察特點(diǎn)，結(jié)合常用物探方法應(yīng)用條件、探測精度及優(yōu)缺點(diǎn)，本項目投入高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)、電磁波CT進(jìn)行綜合探測。高密度電法在路基兩側(cè)路肩及中間隔離帶非硬化路面布置探測線，定量或半定量探測淺部及深部巖溶發(fā)育情況；地質(zhì)雷達(dá)主要在硬化路面上并避開金屬護(hù)欄等干擾源進(jìn)行路基內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞及淺部巖溶探測，并對溶洞作出定量或半定量解釋；完成高密度電法及地質(zhì)雷達(dá)兩種地面物探后，根據(jù)探測結(jié)果布置鉆孔驗(yàn)證，并組成CT孔對，進(jìn)一步開展電磁波CT探測，與地面物探相互印證、補(bǔ)遺并了解橫跨公路的連續(xù)地質(zhì)斷面，對溶洞作出定量或半定量解釋；綜合三種物探成果，并結(jié)合地質(zhì)調(diào)繪與鉆探資料，作出最終地質(zhì)解釋。見表1。

表1 選用物探方法比對表

2.1 高密度電法

本次高密度電法采用施倫貝爾排列裝置(α2排列)進(jìn)行工作，其工作原理是：當(dāng)A、B電極在供電時，M、N電極在測量電位差，經(jīng)過供電電流、電位差和裝置系數(shù)的運(yùn)算，得出每測點(diǎn)的視電阻率值。測量時，AM=MN=NB為一個電極間距，A、B、M、N逐點(diǎn)同時向右移動，得到第一條剖面線；接著AM、NB增大一個電極間距，MN始終為一個電極間距，A、B、M、N逐點(diǎn)同時向右移動，得到另一條剖面線；這樣不斷掃描測量下去，得到倒梯形斷面的視電阻率等值線圖，如圖1所示。

圖1 高密度電法工作示意圖

2.2 地質(zhì)雷達(dá)

地質(zhì)雷達(dá)是利用地下介質(zhì)中電性差異來探測地下目的體。其工作原理是由雷達(dá)主機(jī)控制地面天線向地下發(fā)射寬頻帶短脈沖電磁波，該高頻電磁波經(jīng)地下地層或目的體反射后返回地面，被地面接收機(jī)接收，通過對接收的反射波的成像處理后，得到地下目的體信息圖像，經(jīng)過對該圖像的分析解釋，得到推斷地質(zhì)結(jié)果，如圖2所示。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)基本原理與工作示意圖

2.3 電磁波CT

在兩鉆孔中分別放入發(fā)射探頭和接收探頭，采用發(fā)射探頭定點(diǎn)發(fā)射，接收探頭逐點(diǎn)距提升(下降)接收電磁波信號(接收探頭接收一次算一個射線對)，接收探頭在有效接收范圍內(nèi)接收完畢后，發(fā)射探頭移動一個點(diǎn)距，接收探頭再逐點(diǎn)距提升(下降)接收電磁波信號。本次接收點(diǎn)距為1.0 m，發(fā)射點(diǎn)距為1.0 m，通過逐一發(fā)射與接收，得到很多組射線對記錄，經(jīng)過代數(shù)重建反演得到該剖面電磁波吸收系數(shù)等值線圖。該方法原理如圖3所示。

圖3 電磁波CT工作示意圖

3 物探工作布置及數(shù)據(jù)采集

物探工作布置總體原則已在第2節(jié)中闡述，各方法具體布置內(nèi)容為：高密度電法主要在非硬化路面區(qū)域共布置4條測線，即在公路左側(cè)路肩布置B、C測線，在中央隔離帶布置G測線，在右側(cè)路肩布置K測線，測線長度為300～350 m；在硬化路面及無護(hù)欄路肩段以線距3～5 m共布置8條地質(zhì)雷達(dá)測線，即C、D、E、F、G、H、I、J線，測線長度為150～200 m。根據(jù)高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)探測成果，布置8個驗(yàn)證孔，并組成8對電磁波CT對進(jìn)一步探測。各物探方法平面布置如后面圖7所示。

本次高密度電法采用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DUK-4型高密度電法儀，采用對稱四極裝置，電極距為5 m，電極數(shù)為70個，觀測層數(shù)29；地質(zhì)雷達(dá)采用歐羅斯生產(chǎn)的OKO-3型地質(zhì)雷達(dá)儀，選用天線頻率為50 MHz，采用連續(xù)測量方式，選800 ns時窗，512采樣點(diǎn)；本次電磁波CT采用湖南奧成科技有限公司生產(chǎn)的電磁波透射儀，采用定發(fā)模式觀測方式，發(fā)射及接收點(diǎn)距均為1.0 m。

4 資料處理與成果解釋

采用專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件，分別對三種物探數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理及后處理，高密度電法最終獲得各剖面實(shí)測電阻率斷面、電阻率反演斷面及測深類型曲線圖，地質(zhì)雷達(dá)獲得時深轉(zhuǎn)換電磁波反射剖面圖，電磁波CT獲得電磁波吸收衰減系數(shù)層析成像圖。

本次高密度電法視電阻率值約在20～1 500 Ω·m，整體上表現(xiàn)為淺部低阻深部高阻，分別對應(yīng)淺部覆蓋層和下伏基巖，在基巖中，局部表現(xiàn)為豎向相對低阻異常帶或低阻閉合圈，推斷為巖溶發(fā)育引起，巖溶形態(tài)包括溶洞、溶溝(槽)、溶蝕裂隙等，其中B、C線130～290段屬于挖方段，巖面埋深淺，整體電阻率相對高，局部出現(xiàn)低阻異常，推斷為巖溶發(fā)育，低阻異常具有淺部發(fā)育范圍小深部發(fā)育范圍擴(kuò)大的特征，在兩個巖溶塌陷RD1、RD2對應(yīng)位置并未發(fā)現(xiàn)規(guī)模大的異常，僅出現(xiàn)淺部的小范圍異常，與鉆孔ZK2、ZK3揭露巖溶情況基本吻合；G線位于填方區(qū)，電阻率整體相對偏低，橫向間隔出現(xiàn)低阻異常區(qū)，推斷為巖溶發(fā)育，K線位于高填方區(qū)，整體電阻率偏低，其中有兩處明顯低阻異常區(qū)，巖深大，推斷為巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)，巖溶形態(tài)有溶溝、溶洞、溶蝕裂隙，兩低阻區(qū)間夾有“∧”型高阻體推斷為石牙發(fā)育，兩大低阻區(qū)分別與B、C、G線的低阻異常區(qū)連通形成兩個橫穿公路的強(qiáng)巖溶發(fā)育帶，亦為地下巖溶水的主要活動區(qū)域。圖4為典型高密度電法電阻率斷面及綜合推斷地質(zhì)斷面圖。

圖4 K線高密度電法電阻率斷面及綜合推斷地質(zhì)剖面圖

本次物探在C、D、E、F、G、H、I、J線開展了地質(zhì)雷達(dá)探測，由于地質(zhì)雷達(dá)穿透深度較小，主要探測出路基淺部內(nèi)部破壞情況及左幅挖方路段淺埋巖溶發(fā)育情況，未能有效探測右幅深埋巖溶發(fā)育情況?？傮w上，地質(zhì)雷達(dá)剖面未發(fā)現(xiàn)大規(guī)模的明顯異常，說明路基淺部無大的溶洞或土洞，局部小規(guī)模反射異常，推斷為巖溶發(fā)育，局部溶洞個體發(fā)育。圖5為典型地質(zhì)雷達(dá)圖像及綜合推斷地質(zhì)斷面圖。

圖5 D線地質(zhì)雷達(dá)時間剖面及綜合推斷地質(zhì)剖面圖

在完成高密度電法及地質(zhì)雷達(dá)兩種地面物探工作后，根據(jù)探測成果，布置8個鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證，在物探異常區(qū)的鉆孔均揭露有溶洞、溶蝕裂隙、溶溝發(fā)育，與物探推斷的巖溶發(fā)育區(qū)相吻合。在“隆起”的電阻率高阻區(qū)，ZK7鉆孔揭露巖面埋藏淺，未鉆遇溶洞，與物探推測的巖溶石牙相吻合?？梢?，地面物探探測效果良好。

利用地面物探驗(yàn)證孔進(jìn)一步開展電磁波CT探測工作，從探測成果看，本次工作電磁波吸收系數(shù)多在0.1～0.6 Nper/m，根據(jù)測區(qū)內(nèi)被測介質(zhì)的地質(zhì)條件結(jié)合鉆孔揭露情況，測區(qū)內(nèi)完整灰?guī)r電磁波吸收系數(shù)多<0.3 Nper/m，巖溶發(fā)育帶(含溶洞、溶蝕裂隙、溶溝等)電磁波吸收系數(shù)多在0.25～0.6 Nper/m，其中溶洞電磁波吸收系數(shù)多在0.4～0.6 Nper/m。通過對比分析，電磁波CT探測的物性參數(shù)分布及異常范圍、形態(tài)與地面物探結(jié)果及鉆孔資料基本吻合，經(jīng)綜合分析進(jìn)行了物探解釋，繪制了各CT孔地質(zhì)斷面圖。圖6為典型電磁波CT層析成像結(jié)果與綜合推斷地質(zhì)斷面圖，受鉆孔塌孔影響，未能將探頭放至孔底，深部信息有所缺失。

圖6 ZK1-ZK6電磁波CT層析成像及綜合推斷地質(zhì)剖面圖

根據(jù)綜合物探成果，結(jié)合地質(zhì)調(diào)繪，鉆探資料，進(jìn)行綜合地質(zhì)解釋，繪制綜合探測平面圖(見后頁圖7)。

圖7 綜合探測平面圖

根據(jù)綜合探測成果，測區(qū)局部巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，其中K194+185～K194+230段、K194+250～KZ94+272段分別發(fā)育有橫穿公路的巖溶強(qiáng)發(fā)育帶，為測區(qū)內(nèi)主要的巖溶發(fā)育區(qū)，已發(fā)生的巖溶塌陷及路面開裂位置正是位于該兩處巖溶發(fā)育帶中。巖溶形態(tài)有溶蝕裂隙、溶溝、石牙、溶洞等，埋深在1.5～60 m，溶洞寬高多在1.0～6.0 m，多充填黏土，少數(shù)溶洞無充填，溶洞巖石頂板厚度多在0.4～18 m，部分溶洞巖石頂板的厚度與路基跨越溶洞長度之比<0.8，溶洞的頂板厚度不夠，不滿足《公路路基設(shè)計規(guī)范》要求。在自重、荷載作用下，加上地下水活動影響，上述兩路段容易發(fā)生巖溶頂板坍塌，使路基產(chǎn)生不均勻沉降，坍塌破壞。尤其是右幅填方路基，巖面起伏較大，巖面附近淺層巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，對路基穩(wěn)定性十分不利，需進(jìn)行處治。其他路段巖溶發(fā)育規(guī)模較小，對路基穩(wěn)定性影響不大，不需要做特殊處理。

5 結(jié)語

本文根據(jù)運(yùn)營公路物探勘察特點(diǎn)，因地制宜地選擇了科學(xué)合理的綜合物探方法開展探測工作，總體探測效果良好，有效查明了測區(qū)巖面起伏及巖溶發(fā)育情況，圈定了巖溶處治重點(diǎn)區(qū)域，為巖溶地質(zhì)病害處治方案設(shè)計與施工提供了科學(xué)的地質(zhì)依據(jù)。實(shí)踐證明，高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)及電磁波CT組合模式適用于運(yùn)營公路巖溶地質(zhì)勘查，可為其他類似工程起參考與借鑒作用。

除電磁波CT外，具備條件時(一般要求有井液)，地震CT也可取得同樣的探測效果。此外，微動勘探法原則上可在運(yùn)營公路巖溶勘查中取得效果，今后將在實(shí)際工程中進(jìn)行實(shí)踐與探索。