綜合物探方法在巖溶探測中的運用分析

劉志亮，田江環(huán)，張詔飛

(廊坊市中鐵物探勘察有限公司，河北 廊坊 065000)

巖溶發(fā)育區(qū)在我國廣泛分布，灰?guī)r等相關(guān)可溶巖長期受地表水和地下水的溶蝕作用，形成各種類型的巖溶或破碎帶，極大的威脅著施工安全。在巖溶區(qū)進行工程勘察需要查明對建筑物場地及地基有影響的巖溶發(fā)育規(guī)律及其空間展布情況，為以后的設(shè)計、施工提供基礎(chǔ)資料。

本文基于工程實際，運用高密度電法、電磁波跨孔CT、彈性波跨孔CT等多種方法對巖溶發(fā)育的隧道進行了勘探，結(jié)合鉆探資料對各方法的裝置類型和效果進行了一定的對比分析。

1 方法原理

1.1 高密度電法

高密度電法是一種陣列式的勘探方法，以不同介質(zhì)導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，通過研究人工電流場作用下地下傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律。現(xiàn)場探測只需將全部電極置于觀測剖面各測點上，利用電極轉(zhuǎn)換裝置和高密度設(shè)備就可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速、自動采集。高密度電法工作系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 野外工作布置示意圖

1.2 電磁波CT法

通過探測不同地質(zhì)體對電磁波的吸收強弱差異來確定地下介質(zhì)的分布情況。較完整、完整的圍巖等中高阻的介質(zhì)對電磁波的能量吸收較小，而溶洞(槽)和土層對電磁波能量吸收較強，當(dāng)溶洞(槽)和土層位于接收機和發(fā)射機中間時，呈現(xiàn)出吸收型的陰影異常(吸收系數(shù)為高值)。依據(jù)陰影異常(吸收系數(shù)高值)利用計算機處理成圖，確定溶洞(槽)和土層空間位置。電磁波CT野外工作系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 電磁波CT野外工作系統(tǒng)

1.3 彈性波CT法

根據(jù)孔間彈性波走時長短或衰減大小構(gòu)成地震CT圖像，反映各類巖土體的分布界限及巖體的破碎程度。彈性波CT在兩個鉆孔之間開展，以其中一個鉆孔作為發(fā)射孔，在發(fā)射孔中按照一定的間距發(fā)射高頻的彈性波，而另一個鉆孔作為接收孔，接收孔中以一定的間距接收彈性波，根據(jù)發(fā)射孔中每個發(fā)射點，接收孔中全孔接收，應(yīng)用交叉網(wǎng)狀射線來穿透兩孔間的巖土，根據(jù)拾取到得到的各發(fā)射點至每個接收點的彈性波走時、幅度，進行數(shù)據(jù)計算，反演出兩個鉆孔間的波速圖像。彈性波CT野外工作系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 彈性波波CT野外工作系統(tǒng)

2 工程案例分析

2.1 地質(zhì)及地球物理特征

目的任務(wù)：查明鐵路隧道上溶洞發(fā)育范圍、規(guī)模、形態(tài)；查明下伏基巖完整性。

地質(zhì)概況：表層主要為第四系粉質(zhì)粘土、細圓礫土，下伏奧陶系灰?guī)r，溶洞發(fā)育。

地球物理特征：溶洞具有相對低電阻率，高電磁吸收系數(shù)，低縱波速度。詳見表1。

表1 巖洞地球物理特征

2.2 方法布置

本次探測在鐵路隧道線路布置高密度電法測線1條，布置CT剖面7個，選擇成孔條件較好的孔作為激發(fā)孔，根據(jù)道數(shù)和道間距，每剖面分兩排列進行電磁波CT和彈性波CT探測。物探布置圖具體見圖4。

圖4 物探布置平面圖

2.3 探測成果分析

(1)沿鐵路線路布置高密度測線，溫納裝置，5 m電極距，水平距離600 m。高密度電法剖面面所示，圖中有2處低阻異常。推斷斷層1處，溶洞1處。其中斷層小里程為片巖，大里程為灰?guī)r。

(2)其中2-8-4跨孔CT剖面：8號孔標(biāo)高范圍478.1～485.5 m段，衰減率△=0.28～0.35，縱波速度Vp=1 000～1 600 m/s，結(jié)合鉆孔資料分析為巖溶，平均厚度在5.6 m。兩孔間溶洞貫通狀態(tài)為：從8號向2號方向延伸8.1m左右封閉，從8號向4號方向延伸6.8 m左右封閉。下伏基巖埋深大，衰減率較小，巖體破碎～較破碎。

經(jīng)過鉆孔ZK8號孔揭露23.4～31.7 m深度范圍內(nèi)為溶洞，底部填充部分為粉質(zhì)黏土，與高密度電法和電磁波CT、彈性波CT異常范圍基本吻合。

高密度電法剖面見圖5，跨孔CT剖面見圖6。

圖5 高密度電法剖面圖

圖6 跨孔CT剖面圖

3 方法分析

通過不同物探方法和參數(shù)試驗，經(jīng)鉆孔揭露驗證，得出以下各方法的優(yōu)缺點及運用的條件，見表2。

表2 三種物探方法的優(yōu)缺點對比

4 結(jié)語

(1)通過應(yīng)用高密度電法、跨孔彈性波CT和跨孔電磁波進行探測成像，能夠基本查明線路所處圍巖的工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上圈定重點溶洞范圍和形態(tài)發(fā)育。

(2)在巖溶發(fā)育地區(qū)進行工程勘察，依據(jù)地面物探布置鉆孔進行驗證后，合理布置跨孔CT工作，結(jié)合地質(zhì)資料分析跨孔CT測試成果，可以彌補工程鉆探的局限性，能夠較為準(zhǔn)確的探測具有一定規(guī)模的未知的溶洞、破碎帶。

(3)在鐵路、公路等線路勘察過程中對應(yīng)不同類型的巖溶，需要研究不同物探方法施工參數(shù)、數(shù)據(jù)處理參數(shù)的選擇，建立不同地區(qū)巖溶的地球物理模型，針對不同巖溶類型得到最優(yōu)的探測方法和參數(shù)。