超高密度電法在上覆型巖溶勘察中的應用

惠 軍， 譚維佳

(1. 江蘇省地質環境勘查院，江蘇南京210000；2. 長安大學地質工程與測繪學院，陜西西安710054)

0 引 言

上覆型巖溶具典型的土-巖-空洞三元結構，為電法勘測提供了良好的物性基礎，但巖溶發育的無規律性導致溶洞大小不規則、走向縱橫交錯、孔洞隱伏，上部覆蓋層對電場具消散作用，土層和水向巖溶的填充程度不一，導致常規電法難以精確探測(劉國興，2005；朱清耀，2005；胡博等，2008；趙萬里，2015；廖友清等，2020)。由于采用固定裝置和程式化操作，常規電法觀測方式有限、效率低下，單通道數據采集方式使得測點稀疏，多種因素導致數據采集存在片面性，即在同一個點對地層進行電法探測時，裝置不同導致數據反演結果相差甚遠(朱自強等，2004)。例如，巖溶的上覆土層厚度較大時，常規電法的垂直分辨率不足以充分反映地下巖溶的異常特征。

在高密度電法的基礎上，超高密度電法以現代數據信號技術為手段，采用靈活多變的裝置組合，多芯電纜1次可采集多個電極的數據，全自動、智能化的工作極大地提高了數據的采集量和工作效率，充分提升了已有電極排列的利用率(Sj?dahl et al., 2006；胡樹林等，2011；馮德山等，2014；何委徽等，2019)。

南京地鐵4號線樺(墅站)—仙(林東站)區間龍王山段附近的基巖為三疊系青龍群灰巖，在地質鉆探過程中，部分鉆孔揭示了埋藏深度和大小不一的溶洞，為保障工程的順利進行，查明巖體中溶洞的分布情況十分必要。在研究樺-仙區間工程地質、水文地質條件以及分析場區巖土介質的地球物理特征的基礎上，采用超高密度電法對該區進行地電測量，經反演分析獲取地電阻率圖像，結合巖溶的電阻率異常響應特征，判別巖溶的分布范圍、走向、大小及埋藏深度。

1 探測原理與方法

1.1 超高密度電法的基本原理

超高密度電法與常規高密度電法的勘探原理相同，本質是基于土層和巖層介質的電性差異，向大地內部激發一個穩定的人工電場，觀測電極排列上的電場分布規律。在指定邊界條件下，電場與空間的位置關系滿足下列偏微分方程式(Zhou，1998；鐘韜，2008)：

(1)

在無場源時，式(1)可簡化為歐拉公式，即

(2)

實際地質模型的電場分布和邊界條件往往更為復雜，需借助軟件和數值計算方法進行求解。超高密度電法的反演計算可直接獲取不同于常規電法的2.5D真電阻率剖面圖。在上覆型巖溶中，上部覆蓋層電阻率較低，下部電阻率較高，且存在量級上的差異；灰巖中的溶洞由于充填形式不同，電阻率的表現也不同，在全充填的溶洞中表現為相對低阻，在空溶洞中表現為相對高阻，半充填的溶洞電阻率介于兩者之間。因此，可利用此特征結合地質資料進行解譯，分析地層的巖性、分布規律、斷裂構造等特征，判定異常性質的地質體，進而解決各種工程地質問題。

1.2 超高密度電法的探測方法

超高密度電法是一種多通道全波形的探測方法，裝置系統自由無限制，通常將64個電極按一定的距離置于測線上，然后將多芯電纜與每個電極連接，達到與地震反射勘探相似的多通道數據采集方式(圖1)。對64個電極從1至64依次編號，將奇數電極歸為一組，偶數電極歸為一組。2組電極分別定義一個電極為供電電極，即圖1中的A電極和B電極；其余奇偶配對為接收電極，A電極和B電極的測點布置依次為：1(A)—2(B)、1(A)—4(B)、…、1(A)—64(B)，3(A)—2(B)、3(A)—4(B)、…、3(A)—64(B)，63(A)—2(B)、63(A)—4(B)、…、63(A)—64(B)。1次通電即可采集61個電極相對于某一點位的電位差，根據互換原理，奇數組和偶數組互換為供電電極，因此可獲得1 024次電流極對，采集1 024×61個電位差數據。數據采集是高密度電法的幾十倍，極大地提高了反演結果的精度(戴前偉等，2013；馮德山等，2014；姜小強等，2016)。

圖1 超高密度電法地面采集電極排列示意圖Fig. 1 Schematic diagram of electrode arrangement for ground acquisition by ultra-high density resistivity method

為綜合判斷異常地質體的走向和范圍，達到垂直探測與孔間層析成像的目的，將64個電極分成2組，按放置位置的不同分為地面方式、井地方式和井井方式(圖2)。

圖2 超高密度電法采集方式Fig. 2 Acquisition of ultra-high density resistivity method(a) Ground acquisition; (b) Ground-well acquisition; (c) Well-well acquisition

采用Flash RES 64多通道超高密度直流電法勘探系統進行探測，儀器主要技術指標為：電壓通道61個，輸入阻抗>107 Ω，測量精度<0.5%，干擾壓制>80 dB(對50 Hz工頻)；輸出直流電壓30、90、250 V，電流<3 A，工作溫度為-20～50 ℃，濕度為95%RH，電源為12 V電瓶。采集方式為地面方式和井井方式：地面方式極距3 m或4 m，數據采集周期2 s，電流極對1 024個；井井方式極距1 m，數據采集周期2 s，電流極對1 024個。

2 工程概況

2.1 超高密度電法探測位置

南京地鐵4號線工程線路全長44.184 km，共分為4個勘察標段，其中D4-XK04標西起東流站，經青龍站、樺墅至仙林東站，共4站3區間1出入線1車輛段，全長約7.20 km，在樺墅站—仙林東站之間設青龍車輛段和出入線。研究區D4-XK04標樺墅站—仙林東站區間采用礦山法施工，區內廣泛分布的灰巖嚴重影響施工安全，探明灰巖中的巖溶發育情況成為工程建設的首要任務。礦山區間段(右DK42+058—右DK42+995)如圖3所示，對比分析各種地球物理方法，對該段巖溶采用超高密度電法探測。

圖3 南京地鐵4號線樺-仙區間巖溶探測范圍Fig. 3 Karst detection range of Huashu-Xianlin section of Nanjing Metro Line 4

2.2 工程地質與水文地質條件

勘察揭示，擬建區間穿越侵蝕堆積崗地(含崗地-坳溝區)和構造剝蝕低山丘陵2個地貌單元。其中樺墅站—龍王山南麓、龍王山北麓—仙林東站為侵蝕堆積崗地區，上部土層局部發育坳溝，坳溝內堆積土層以黏性土為主，從上至下黏性土的狀態由流塑逐漸變成可塑和硬塑，黏性土中偶見粉土和粉砂透鏡體。下伏基巖埋深變化較大，分布有象山群的泥質砂巖、砂巖，周沖村組的灰巖、泥灰巖，三疊系青龍群的灰巖。周沖村組的灰巖僅分布在龍王山一帶，為構造剝蝕低山丘陵區，土層覆蓋較少。

根據現場工程地質調查，山體表面分布著厚度不均的第四系粉質黏土，厚度一般<1.5 m，大部分山體基巖出露，多為強風化巖。山下一般土層較厚，達十幾米，山體地層巖性主要為三疊系青龍群中下部中厚—厚層灰黃色微晶灰巖、泥質微晶灰巖，地層產狀為山體南東側NE38°～65°/SE∠27°～38°、北西側NE60°/SE∠30°，巖石較堅硬，鉆探顯示該段巖體中發育溶孔和小型溶洞。

研究區地表水主要為溝塘水。根據區域水文地質條件及初步勘察結果，區內地下水可分為3種類型：① 松散巖土孔隙潛水，主要分布于上覆第四系土層孔隙內，受大氣降水補給，變化較大；② 基巖裂隙水，主要賦存于基巖裂隙和破碎帶中，與上覆土層的孔隙水有一定的連通性；③ 巖溶水，主要賦存于溶洞空腔內，與充填的黏性土混合，水量豐富，不受地潛水的影響。

2.3 地球物理特征

地層因物質組成和地質構造的影響而表現出不同的電學特性，土層與巖石、空氣和水分之間均存在電阻率差異，通過探測不同地層的電阻率可推斷地層的巖性、巖溶及斷裂構造等。根據鉆孔揭示，研究區地質環境為典型的土-巖-空洞三元結構上覆型巖溶地質條件，上部覆蓋層主要為粉質黏土和素填土，下部為象山群砂巖和三疊系青龍群灰巖，灰巖內巖溶發育。經前期探測，上覆粉質黏土和素填土的電阻率為10～30 Ω·m，砂巖的電阻率為50～250 Ω·m，中風化—微風化灰巖的電阻率為100～1 000 Ω·m，半充填—全充填溶洞的電阻率為20～100 Ω·m，無充填溶洞的電阻率為50～400 Ω·m。由此可知，土層-巖層-溶洞三者之間的電阻率有一定的差異，為超高密度電法解釋時識別和區分各個巖土界面提供了依據。

3 探測結果與分析

3.1 地面探測結果分析

測線左DK41+985(右5 m)—左DK42+237(右18 m)的典型電阻率剖面(圖4)顯示：① 上覆為第四系粉質黏土，視電阻率為10～30 Ω·m；② 基巖以三疊系青龍群強—中風化灰巖、象山群砂巖為主，其中，砂巖視電阻率為30～200 Ω·m，大部分較完整，局部裂隙較發育；灰巖視電阻率為30～500 Ω·m，大部分較完整，局部溶蝕裂隙較發育。從視電阻率曲線形態分析，左DK41+998—左DK42+077處有20～60 Ω·m的低阻異常，推測為砂巖裂隙發育區域；左DK42+047—左DK42+095處、左DK42+127—左DK42+220處有20～80 Ω·m的低阻異常，推測為溶蝕裂隙發育區域。

圖4 南京地鐵4號線樺-仙區間左線巖溶探測結果Fig. 4 Karst detection results of the left line of Huashu-Xianlin section of Nanjing Metro Line 4

測線右DK41+972(右5 m)—右DK42+224(右23 m)的典型電阻率剖面(圖5)顯示：① 上覆為第四系粉質黏土，視電阻率為10～30 Ω·m；② 基巖為象山群砂巖、三疊系青龍群強—中風化灰巖，其中砂巖視電阻率為30～150 Ω·m，大部分較完整，局部裂隙較發育；灰巖視電阻率為30～400 Ω·m，大部分較完整，局部溶蝕裂隙較發育。從視電阻率曲線形態分析，右DK41+982—右DK42+055處有20～60 Ω·m的低阻異常，推測為砂巖裂隙發育區域；右DK42+047—右DK42+085、右DK42+100—右DK42+212處有20～80 Ω·m的低阻異常，推測為溶蝕裂隙發育區域。

圖5 南京地鐵4號線樺-仙區間右線巖溶探測結果Fig. 5 Karst detection results of the right line of Huashu-Xianlin section of Nanjing Metro Line 4

3.2 井井探測結果分析

在隧道里程右DK42+121上，垂直隧道走向布置G68孔—G67孔井井測線(圖6a)。上覆為粉質黏土，下伏為三疊系青龍群強—中風化灰巖。從電阻率值和曲線形態上看，兩孔之間灰巖大部較完整，局部溶蝕裂隙發育。兩孔之間距G68孔2～29 m、深10～21 m處溶蝕裂隙發育；G67孔在21 m附近及40 m處有低阻異常，推測為溶洞，被粉質黏土充填，直徑分別約為2、3 m(圖6a)。

圖6 南京地鐵4號線樺-仙區間井井探測結果Fig. 6 Well-well detection results of Huashu-Xianlin section of Nanjing Metro Line 4

在隧道里程右DK42+229上，垂直隧道走向布置G72孔—G74孔井井測線(圖6b)。上覆為粉質黏土，下伏為強中風化灰巖。從電阻率值和曲線形態上看，兩孔之間灰巖溶蝕裂隙發育。兩孔之間距G72孔0～5 m、深11～28 m處,兩孔之間距G74孔0～19 m、深9～46 m處為溶蝕裂隙發育區域；G72孔在深13、19、25 m處有低阻異常，推測為溶洞，被粉質黏土充填，直徑分別約為2、2、3 m；G74孔在深33 m處有低阻異常，推測為溶洞，被粉質黏土充填，直徑約為3 m；兩孔之間距G74孔9 m、深度14、39 m處有低阻異常，推測為溶洞，被粉質黏土充填，直徑分別約為3、2 m(圖6b)。

4 地質鉆孔與解釋成果對比

在隧道左線方向上布置5個鉆孔進行鉆探(圖4)，結果表明，超高密度電法對各土層的層位劃分精確，特別是粉質黏土與基巖的分層面與鉆探結果吻合度高，能有效探測鉆孔間的地層起伏，提高勘探效率。鉆孔D4Q16G63、D4Q16G2揭示的溶洞標高范圍(表1)與電阻率反演結果相符。根據鉆孔D4Q16Z15揭示的溶洞標高范圍(表1)，推測0.04～-14.76 m范圍內為破碎中等風化灰巖，根據電阻率剖面圖外推其發育范圍。

在隧道右線方向上布置等量的鉆孔進行鉆探(圖5)，驗證結果與圖4的結論相同。對比分析圖4與圖5可見，在左右線上地層的分布和變化較穩定，地層起伏較一致，針對圖4中鉆孔D4Q16Z15的溶蝕裂隙發育區外推情況布置了加密鉆孔(如鉆孔D4Q16Z17、D4Q16Z56)。研究區地質溶洞的高密度電法探測與鉆孔驗證結果(表1)表明，對溶蝕裂隙發育區的推測符合驗證結果。

表1 南京地鐵4號線樺-仙區間探測結果對比Table 1 Comparison of detection results in Huashu-Xianlin section of Nanjing Metro Line 4

在隧道的橫剖面上采用井井方式進行勘測，T1、T2為可塑粉質黏土填充的溶洞，T19、T21為軟塑粉質黏土填充的溶洞(圖6)。從視電阻率圖像(圖6)看，盡管溶洞非常小，但電阻率在溶洞位置處均出現相對低阻。圖6提供了隧道在橫向上的地質體變化趨勢，是對圖4和圖5在空間上的完善，增強了對地質異常體(溶洞和巖溶裂隙發育區)空間分布的認識。

5 結 論

(1)采用地面、井井超高密度電法，在樺墅站—仙林東站區間礦山段范圍內布置超高密度電法測線，基本查明了礦山段覆蓋層厚度、范圍、地層分布情況及灰巖區巖溶發育程度。

(2)樺墅站—仙林東站區間礦山段上覆松散地層為粉質黏土及素填土，上覆層厚度為0～20 m，超高密度電法查明了下伏基巖(灰巖)在地鐵線位處的溶蝕裂隙發育區域及溶洞分布位置，表明在上覆型巖溶勘察中超高密度電法具有高精度、高效率、直觀等特點，解釋成果與鉆探驗證一致，為土-巖-空洞三元結構的物理探測提供了一種新方法。

(3)工程物探勘察受地形、樹林等各種不利條件的影響，受限于物探方法的多解性及勘察精度不高等因素，多為定性認識，建議施工時在巖溶發育區段進行施工勘察或采用地質雷達超前預報等手段做好巖溶發育情況的預報工作。