綜合物探技術(shù)在徐州市城市軌道交通6號線巖溶勘察中的應用

高國燦

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

研究區(qū)位于江蘇省徐州市，為城市鬧市區(qū)，交通條件便利。徐州市地形地貌為沖積平原地貌，總體上起伏不大，地形平坦。徐州地區(qū)位于中國東部新華夏系第二個隆起帶與秦嶺—昆侖緯向構(gòu)造的交匯部位，地質(zhì)構(gòu)造比較復雜，主要構(gòu)造形跡為徐州弧形構(gòu)造、新華夏構(gòu)造和東西向構(gòu)造。區(qū)內(nèi)發(fā)育一系列NE-NNE向展布的復式褶皺及大致平行的逆斷層，并被NW-NWW向的斷裂切割。區(qū)內(nèi)NE向斷裂構(gòu)造較發(fā)育，但均非全新活動斷裂。區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造主要有徐州復式背斜、三堡—七里溝復式向斜和賈汪復式向斜，且中間次褶構(gòu)造較為發(fā)育，軸向一般為NE向。研究區(qū)內(nèi)發(fā)育非活動性斷裂廢黃河斷裂（F1、F2、F3）和邵樓斷裂（F60），第四紀以來未見活動跡象，區(qū)域地殼相對穩(wěn)定，且未發(fā)生過破壞性的歷史地震，屬地震地質(zhì)條件相對較好的工程場地。

該區(qū)第四系覆蓋層主要為人工填土、粉土和黏性土，下伏基巖為震旦系石灰?guī)r、白云巖及白堊系粉砂巖和礫巖。第四系覆蓋層厚度變化較大，約5～18 m，自西向東呈逐漸增厚趨勢。該段地表主要為1～2 m的雜填土（局部地段較厚），其結(jié)構(gòu)松散，成分復雜，物理力學性質(zhì)較差。人工填土層以下為第四系粉土和黏性土，粉土呈稍密-中密狀，黏性土以可塑為主，壓縮性中等，該組地層土質(zhì)結(jié)構(gòu)稍好，土質(zhì)相對均勻，物理力學性質(zhì)稍好。下伏震旦系張渠組石灰?guī)r為較硬巖，可研勘察成果顯示該組巖體呈中厚層狀構(gòu)造，裂隙稍發(fā)育，充填方解石脈，膠結(jié)良好，巖溶屬弱-中等發(fā)育。

1 工程概況及場地地球物理特性

徐州市城市軌道交通6號線一期工程為一條反“L”型軌道交通線路，全長約22.912 km，全部為地下線。勘察03標段的范圍為商聚路西站（不含）—塘坊村站—惠民家園站—新城區(qū)客運站—麗水路站，共4站4區(qū)間，線路全長約5.14 km，均為地下線，本標段下穿緯一河、人民河和緯四河等地表水體，下穿惠民花園小區(qū)、迎賓大道高架橋等重要建構(gòu)筑物。本研究所涉及的巖溶勘察范圍為塘坊村站，標段編號AK21+960—AK22+260，全長300 m。本標段第四系覆蓋層主要為人工填土、粉土和黏性土，下伏基巖為震旦系張渠組白云巖，基巖和第四系覆蓋層的電性差異較大，覆蓋層的電阻率一般不超過100 Ω·m，基巖的電阻率一般在幾百至數(shù)千Ω·m。巖溶空洞與斷裂發(fā)育地帶的電阻率和介電常數(shù)都與圍巖有明顯的差異，這種電性差異是瞬變電磁法和地質(zhì)雷達法的基礎。研究區(qū)內(nèi)圍巖主要為白云巖，一般堅硬、完整、強度高、電阻率高、對電磁波低吸收和彈性波速較高；當巖體受裂隙、裂隙性小斷層、破碎帶、剪切帶、軟弱夾層和薄層及巖溶等破壞時，電阻率下降，對電磁波吸收增加，不同的介質(zhì)存在較為明顯的電磁吸收系數(shù)差異，這種電磁吸收系數(shù)差異的存在，為電磁波CT探測提供了較好的物性條件。

2 綜合物探技術(shù)及工作方法

2.1 物探技術(shù)方法選擇

綜合研究區(qū)地質(zhì)調(diào)查及鉆探資料，具備開展瞬變電磁法、地質(zhì)雷達和井間電磁波CT探測的地質(zhì)和物理基礎。根據(jù)鉆孔揭露情況，研究區(qū)內(nèi)巖溶屬覆蓋型巖溶，巖溶形態(tài)主要有溶洞、溶蝕裂隙等。為了進一步查明巖溶發(fā)育的具體情況，本研究采用初勘瞬變電磁法+地質(zhì)雷達→詳勘電磁波CT測試相結(jié)合的漸進式巖溶精細探測綜合物探方法體系，對區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育的類型和具體情況作出準確判斷和精準定位。

2.2 工作方法

2.2.1 瞬變電磁

本研究采用HPTEM-18高精度瞬變電磁數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)橫向分辨率高、可有效減少淺層（地下0～200 m）數(shù)據(jù)失真，保證數(shù)據(jù)精度要求和信號帶寬；傳感器采用超低噪聲放大器，降低了系統(tǒng)噪聲，整個信號通路采用全差分結(jié)構(gòu)，有效壓制外界干擾。其發(fā)射頻率為6.25Hz，疊加周期500，重復2次，測點間距5 m。然后采用5DEM數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)進行處理。在數(shù)據(jù)處理過程中，首先對野外數(shù)據(jù)進行剔飛值、去噪、靜態(tài)校正及近場校正等處理，然后進行一維及二維反演成像，處理流程。處理主要是剔除干擾。對于固定地物引起的異常，包括地面電線、金屬器械等，應結(jié)合野外記錄，實地查證加以分析；對于來自天然電磁場和人工電場所引起的漏電及電磁波干擾，采取頻譜分析與手工圓滑相結(jié)合的方法加以排除。本研究中，除了上述干擾外，測線跨過道路區(qū)域，過往車輛對數(shù)據(jù)影響較大，需要對晚期數(shù)據(jù)進行濾波及人工對數(shù)據(jù)光滑，以滿足地質(zhì)分析解釋要求。

2.2.2 地質(zhì)雷達

本次使用了美國勞雷公司生產(chǎn)的SIR4000地質(zhì)雷達，SIR4000是一個輕便、便攜式地面透視雷達系統(tǒng)。根據(jù)勘察深度，選擇了100 M天線，探測深度在25～30 m。隨后采用RADAN7軟件進行數(shù)據(jù)處理。首先，刪掉多余的數(shù)據(jù)，查看標記；然后，對數(shù)據(jù)進行調(diào)節(jié)時間零點、距離歸一、背景去噪、道間能量平均和垂直帶通濾波（時間域和頻率域）等處理；最后，獲得地質(zhì)雷達成果剖面。

2.2.3 井間電磁波CT

詳勘階段井間電磁波CT探測采用HX-JDT-02B型井下無線電透視儀系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集模式采用掃頻（4～12 MHz），工作模式為定發(fā)；接收范圍為發(fā)射點位對應深度上下5 m，發(fā)射點距1.0 m，接收點距0.5 m。測試過程中每2個鉆孔為一組，測試范圍在地面以下10 m到結(jié)構(gòu)底板下5 m處。電磁波CT處理軟件采用的是奧成科技研發(fā)電磁波CT反演軟件V2.1，數(shù)據(jù)處理流程為：①讀取場強幅值，依據(jù)測量資料計算每條射線的激發(fā)和接收點坐標。②根據(jù)地質(zhì)地球物理條件、觀測系統(tǒng)、成像精度、分辨率和任務要求選擇和建立數(shù)學物理模型。網(wǎng)格單元尺寸不應小于測點間距，單元總數(shù)不宜大于射線條數(shù)；模型的初始值和約束條件可由已知地質(zhì)條件、經(jīng)驗值和現(xiàn)場試驗計算等方法得出。③反演算法采用聯(lián)合迭代法（SIRT），根據(jù)迭代次數(shù)選擇最穩(wěn)定的成像結(jié)果。④CT圖像采用色譜圖示法，圖像可等差分級，為了突出異常，也可變差分級。

3 綜合物探解譯成果及分析

3.1 物探解釋成果

3.1.1 瞬變電磁法解釋成果

本研究中塘坊村車站（AK21+960—AK22+260）初勘階段瞬變電磁法巖溶探測解譯成果如圖1所示。可看出：

（1）塘坊村車站（AK21+960—AK22+260）左側(cè)（圖1（a）和圖1（b）），在地表深約0～3 m范圍表現(xiàn)為低阻，電阻率小于80 Ω·m，結(jié)合地質(zhì)及鉆探資料推斷為素填土；在深約3～18 m（高程14～30 m）電阻率小于300 Ω·m，推斷為粉土和黏土；隨著深度增加，電阻率增大，在深約30 m，里程范圍AK22+133—183這2側(cè)電性差異明顯，結(jié)合地質(zhì)資料，推斷該里程范圍為F60（邵樓）斷裂，斷裂走向為NE向，推斷斷裂左側(cè)（AK21+960—AK22+133）里程段為白云巖，在斷裂右側(cè)（AK22+183—260）段則為礫巖，在斷裂附近產(chǎn)生了明顯的異常，在AK22+090、AK22+135和AK22+160深約25～40 m，推斷為巖溶空洞。

（2）為塘坊村車站（AK21+960—AK22+260）右側(cè)（圖1（c）和圖1（d）），在地表深約0～3 m范圍表現(xiàn)為低阻，電阻率小于80 Ω·m，結(jié)合地質(zhì)及鉆探資料推斷為素填土；在深約3～18 m（高程14～30 m）電阻率小于300 Ω·m，推斷為粉土和黏土；隨著深度增加，電阻率增大，在深約30m，里程范圍在AK22+110—164這2側(cè)電性差異明顯，結(jié)合地質(zhì)資料，推斷該里程范圍為F60（邵樓）斷裂，斷裂走向為NE向。推斷斷裂左側(cè)（AK21+960—AK22+110）里程段為白云巖，在斷裂右側(cè)（AK22+164—260）段則為礫巖。在斷裂附近產(chǎn)生了明顯的異常，在AK21+090、AK21+140存在明顯的異常，推斷為巖溶。

圖1 塘坊村車站瞬變電磁解譯成果

3.1.2 地質(zhì)雷達解釋成果

對本標段雷達資料進行分析整理，可知，深約12～18 m存在明顯的反射剖面，結(jié)合地質(zhì)及鉆探資料，在深約0～2 m范圍內(nèi)主要為填土；在深約2～18 m范圍內(nèi)主要為第四紀覆蓋層，為黏土及粉土；在深約18 m以下為白云巖和礫巖。地質(zhì)雷達探測有效深度為20 m，在有效深度范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)巖溶發(fā)育。

3.1.3 井間電磁波CT法解釋成果

根據(jù)鉆孔資料可知，場地范圍內(nèi)存在部分巖溶，且大部分有填充物，為硬塑黏土，圍巖主要為白云巖和斷層角礫巖。溶洞內(nèi)外介質(zhì)存在較為明顯的電磁吸收系數(shù)差異。從塘坊村車站電磁波CT解譯成果可知，黏土層的下界面深度基本在15～22 m起伏變化，下伏基巖主要為白云巖、斷層角礫巖，在覆蓋層以下存在一層風化嚴重的圍巖，該層圍巖較破碎；巖溶發(fā)育在邵樓斷裂附近，深度基本在25 m以下。通常溶洞為相對高吸收系數(shù)，本次物探工作共發(fā)現(xiàn)電磁波CT異常3處，具體異常見表1。這3處異常通過鉆探孔揭露，均為巖溶發(fā)育，可見電磁波CT探測成果與鉆探資料完全重合，說明井間電磁波CT技術(shù)在本次巖溶綜合勘察中取得很好的探測效果。

表1 井間電磁波CT異常分布空間位置信息統(tǒng)計表

3.2 綜合物探成果分析

在初勘中使用了地面物探方法對本段進行探測，其中，瞬變電磁探測成果顯示本段存在邵樓斷裂（F60）位于AK22+110—AK22+183里程段落，斷裂附近巖體破碎，在斷裂中間和左側(cè)巖溶發(fā)育，深度在30 m左右；地質(zhì)雷達探測有效深度在20 m，未發(fā)現(xiàn)巖溶發(fā)育異常點。在詳勘階段使用了電磁波CT方法，剖面深度均大于結(jié)構(gòu)地板下5 m，在20對剖面成果中共發(fā)現(xiàn)了3個巖溶，受鉆孔影響部分鉆孔的PVC管不能下至底部。在部分鉆孔Z10、Z11、Z12、Z35和Z37都存在巖溶發(fā)育情況，深度基本在25～40 m范圍，與初勘瞬變電磁結(jié)果對比較好。結(jié)合鉆探可判斷，場地范圍內(nèi)溶洞整體以充填型為主，充填物主要為黏性土、黏性土混灰?guī)r質(zhì)碎石，部分溶洞無充填。綜合判定，塘坊村站場地邵樓斷裂帶內(nèi)巖溶發(fā)育等級為強發(fā)育，邵樓斷裂（F60）西側(cè)震旦系巖溶發(fā)育等級為中等發(fā)育。

4 結(jié)論

本研究采用了一種用于城市軌道交通巖溶精細勘察的漸進式綜合物探技術(shù)方法，將瞬變電磁法、地質(zhì)雷達和井間電磁波CT技術(shù)相結(jié)合，配合不同勘察階段（初勘和詳勘）進行遞進式綜合物理探測，以對研究區(qū)內(nèi)的巖溶發(fā)育作出準確判斷和精準定位。探測結(jié)果表明，塘坊村站里程AK22+110—AK22+183段為F60（邵樓）斷裂，斷裂走向為NE向。在電磁波CT有效探測范圍內(nèi)，解譯成果與鉆探揭露的巖溶發(fā)育完全重合，說明井間電磁波CT技術(shù)在本次巖溶綜合勘察中取得很好的探測效果。對比發(fā)現(xiàn)，電磁波CT探測成果與鉆探資料基本吻合，可為工程建設提供更可靠的基礎地質(zhì)資料和設計參數(shù)。

場地范圍內(nèi)溶洞整體以充填型為主，充填物主要為黏性土、黏性土混灰?guī)r質(zhì)碎石，部分溶洞無充填。綜合判定，塘坊村站場地邵樓斷裂帶內(nèi)巖溶發(fā)育等級為強發(fā)育，邵樓斷裂（F60）西側(cè)震旦系巖溶發(fā)育等級為中等發(fā)育。因基底以下發(fā)育巖溶和風化巖，巖溶及風化巖的不均勻性對基礎底板造成的不利影響。基底以下發(fā)育溶洞，影響基底穩(wěn)定，建議采取處理措施。

本研究證明，根據(jù)不同的地質(zhì)條件合理選擇正確的物探方法，并與現(xiàn)有的地質(zhì)、鉆探資料進行對比，可以快速、準確地識別地下地球溶洞等不良地質(zhì)分布，達到經(jīng)濟、省時和高精度的效果。