跨孔電磁波CT在濟(jì)南某超高層勘察工程中的應(yīng)用

熊輝，馬玉飛，何巧靈

(濟(jì)南市勘察測繪研究院，山東 濟(jì)南 250101)

1 引 言

隨著人類建設(shè)的不斷擴(kuò)張，地上空間日趨飽和，工程建設(shè)轉(zhuǎn)向地下發(fā)展，向地下要空間，我們需要面對(duì)大量的與巖體相關(guān)的工程地質(zhì)問題。石灰?guī)r地區(qū)最典型的工程地質(zhì)問題就是巖溶問題，巖溶對(duì)地基的穩(wěn)定性影響巨大[1～3]。因此工程上查明基底下巖溶的分布及其性質(zhì)尤為重要。目前查明巖溶分布的常用方法有鉆探、鉆孔電視、管波探測[4]、地質(zhì)雷達(dá)[5]、高密度電法[6]、瞬變電磁法[7]等。近年來，基于醫(yī)學(xué)層析成像(CT)原理的地球物理層析成像技術(shù)以其成像精度高，成本小且操作方便的優(yōu)點(diǎn)在工程中的應(yīng)用越來越廣泛，本文采用跨孔電磁波CT技術(shù)反演計(jì)算構(gòu)建兩鉆孔之間的地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖像，從而解譯兩鉆孔之間的巖溶分布情況。

2 工作原理

電磁波CT法是利用無線電波在兩個(gè)鉆孔中分別發(fā)射和接收，根據(jù)不同位置上接收的場強(qiáng)的大小，來確定地下不同介質(zhì)分布的一種物探方法。根據(jù)電磁波理論，在射線光學(xué)近似下，耗散介質(zhì)中的發(fā)射的場強(qiáng)與接收的場強(qiáng)存在下述關(guān)系[8]：

(1)

式中：E為接收點(diǎn)的場強(qiáng)值；

E0為發(fā)射點(diǎn)的場強(qiáng)值；

β為吸收系數(shù)，即介質(zhì)中單位距離對(duì)電磁波的吸收值；

f(θ)為收發(fā)天線的方向因子函數(shù)；

r為發(fā)射與接收點(diǎn)之間的距離。

由式(1)可以看出，當(dāng)電磁波通過不同的地下介質(zhì)傳播時(shí)，由于不同介質(zhì)對(duì)電磁波的吸收存在差異[9]，吸收系數(shù)越大，從而接收到的場強(qiáng)值越小，因此吸收系數(shù)大的介質(zhì)背后接收到場強(qiáng)較小，呈現(xiàn)負(fù)異常現(xiàn)象，如“陰影”一般，運(yùn)用這一解譯方法可推斷目標(biāo)地質(zhì)體的結(jié)構(gòu)和形狀。總體來說，土層、飽水或充泥溶洞的電磁波吸收系數(shù)較大，破碎巖體、小規(guī)模巖溶裂隙的電磁波吸收系數(shù)次之，較完整巖體的電磁波吸收系數(shù)最小[10]。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

根據(jù)鉆孔揭示情況，未發(fā)現(xiàn)連續(xù)成規(guī)模發(fā)育的溶洞，鉆孔見洞隙率為54%，線巖溶率為5.5%，洞隙高度 0.3 m～ 4.4 m，均為充填型巖溶洞隙，充填物為硬塑黏土、或含碎石黏土，充填物較密實(shí)，巖溶發(fā)育程度屬中等發(fā)育。

3.2 工作方法

本次跨孔電磁波CT探測使用岳陽奧成科技有限公司生產(chǎn)的HX-JDT-02B型井下無線電波透視儀，主要由鉆孔發(fā)射機(jī)(探管)，鉆孔接收機(jī)(探管)，地面控制和數(shù)據(jù)采集器(收、發(fā)各一)，天線及其輔助設(shè)備，充電器等組成，可以跨孔方式探測鉆孔間的剖面。

根據(jù)場地內(nèi)鉆孔揭示的巖溶發(fā)育情況共選取7個(gè)鉆孔、6孔對(duì)進(jìn)行電磁波CT測試。其鉆孔位置如圖1所示，CT1剖面長度 24 m，CT2剖面長度 51.2 m。

圖1 電磁波CT剖面圖位置圖

4 數(shù)據(jù)解譯及驗(yàn)證

4.1 數(shù)據(jù)解譯

如圖2所示，整個(gè)CT1剖面視吸收率值變化較明顯，上部基巖視吸收率值較大，向下視吸收率值逐漸減小。標(biāo)高在 120 m以上區(qū)域視吸收率值較高，吸收系數(shù)一般大于 0.5 DB/m，結(jié)合現(xiàn)場鉆探資料，判斷該區(qū)域溶蝕裂隙較發(fā)育，巖體較破碎。標(biāo)高 120 m以下區(qū)域視吸收率值相對(duì)較低，表明該區(qū)域巖體整體相對(duì)較完整，僅存在兩處物探異常區(qū)，其視吸收率值較高，吸收系數(shù)大于 0.5 DB/m，結(jié)合現(xiàn)場鉆探資料，判斷異常區(qū)域可能為巖溶裂隙或局部巖體破碎，為巖溶發(fā)育的可能性較小。

圖2 CT1剖面反演圖

如圖3所示，整個(gè)CT2剖面視吸收率值變化較明顯，上部基巖視吸收率值較大，向下視吸收率值逐漸減小。結(jié)合鉆探資料，上部區(qū)域視吸收率值較高，吸收系數(shù)一般大于 0.5 DB/m，判斷該區(qū)域溶蝕裂隙較發(fā)育，巖體較破碎；鉆孔A32處視吸收率值較低，吸收系數(shù)一般小于 0.3 DB/m，判斷該鉆孔處巖體較完整，無明顯巖溶發(fā)育。下部區(qū)域視吸收率值相對(duì)較低，表明該區(qū)域巖體相對(duì)較完整，僅存在三處物探異常區(qū)，其視吸收率值較高，吸收系數(shù)大于 0.5 DB/m，結(jié)合鉆探資料，判斷異常區(qū)域可能為溶蝕裂隙或巖溶洞隙發(fā)育，推斷其沿層間裂隙及構(gòu)造裂隙發(fā)育，可能形成“土石相間”的情況，充填物為硬塑黏土或黏土混碎石。

圖3 CT2剖面反演圖

4.2 開挖驗(yàn)證

基槽開挖至基巖表面時(shí)，可見基巖表層巖體較破碎(如圖4所示)，土石相間，局部溶溝、溶槽較發(fā)育(如圖5所示)，與跨孔電磁波CT反演結(jié)果基本一致。

圖4 基巖表面巖體較破碎

圖5 基巖表面溶溝溶槽發(fā)育

5 結(jié) 論

(1)上部基巖視吸收率值較大，溶蝕裂隙較發(fā)育，巖體較破碎。下部區(qū)域視吸收率值相對(duì)較低，巖體相對(duì)較完整，下部局部視吸收率值較高，可能為溶蝕裂隙或巖溶洞隙發(fā)育。

(2)跨孔電磁波CT法反演結(jié)果與鉆孔資料及開挖揭露情況基本一致，可準(zhǔn)確直觀地反映兩鉆孔間巖溶的分布情況，在巖溶勘察中得到了很好的應(yīng)用，該方法具有準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，在工程地質(zhì)勘察中具有廣闊的應(yīng)用前景。

(3)跨孔電磁波CT法探測面比鉆探探測面更廣，探測結(jié)果可作為鉆孔間地層分布的補(bǔ)充。