基于高密度電阻率法的城市地下巖溶探測技術(shù)應(yīng)用研究

楊旺興

中鐵十六局集團有限公司北京軌道交通工程建設(shè)有限公司 北京 101199

中國是世界上巖溶最為發(fā)育的國家之一，其巖溶區(qū)總面積在300萬平方公里以上，并集中分布于我國南方地區(qū)[1]，且隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展進(jìn)步，在其內(nèi)開展各類工程建設(shè)難以避免，尤其是在城市的地下空間建設(shè)中。而巖溶發(fā)育區(qū)由于受到氣候條件、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造和巖性等多種因素的制約和影響，在其內(nèi)形成的巖溶洞穴具有隱蔽性、隨機性和不確定性，難以定位識別，從而危害城市各類工程的安全建設(shè)，屬于工程地質(zhì)中一種典型的不良地質(zhì)體[2]。鑒于此，在巖溶發(fā)育地區(qū)開展各類地上或地下工程建設(shè)時，必須首先要查明其內(nèi)巖溶區(qū)的空間分布情況，尤其是巖溶洞穴的位置、埋深、規(guī)模和空間分布情況，以便進(jìn)行針對性的安全治理，防止隱伏巖溶洞穴存在誘發(fā)的地表沉降變形、塌陷等次生地質(zhì)災(zāi)害事故的發(fā)生[3]。

事實上，對于巖溶區(qū)的探測，其技術(shù)手段不斷發(fā)展進(jìn)步，但總結(jié)起來目前主要有兩種探測技術(shù)方法，第一種探測技術(shù)方法為工程鉆探，其為一種直接探測巖溶區(qū)的技術(shù)方法，但存在“一孔之見”的缺點，大間距布設(shè)容易遺漏巖溶洞穴，小間距布設(shè)鉆探成本又太高，探測周期也長，且難以避免遺漏小的巖溶洞穴；第二種為地球物理探測技術(shù)方法，其為一種間接探測巖溶區(qū)的技術(shù)方法，其方法種類較多，常見的如高密度電阻率法、地質(zhì)雷達(dá)、跨孔地震CT、微重力法、瞬變電磁法等，具有效率高、成本低的特點，但是單一的地球物理探測技術(shù)方法存在一定的多解性[4-5]。因此，如果把工程鉆探和地球物理探測結(jié)合起來進(jìn)行巖溶區(qū)探測，就可以在巖溶發(fā)育區(qū)實現(xiàn)低成本、高效的巖溶洞穴異常探測，特別是其中的高密度電阻率法，具有地質(zhì)CT的功能，多用于高精度的工程地球物理探測。基于此，本文以工程建設(shè)中遇到的城市地下巖溶區(qū)為探測研究對象，以高密度電阻率法為探測技術(shù)手段，輔助以工程鉆探驗證，實現(xiàn)對城市復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的巖溶洞穴探測，以對其安全治理，為有關(guān)工程建設(shè)的施工提供安全保障。

1 城市地下巖溶探測技術(shù)理論基礎(chǔ)

高密度電阻率法是一種以地下巖土介質(zhì)的電阻率差異為理論基礎(chǔ)的地球物理探測方法，屬于傳統(tǒng)上的直流電陣列地球物理探測方法，基于穩(wěn)定電流場分布理論，通過研究人工建立的地下穩(wěn)定電場的分布規(guī)律來解決工程地質(zhì)問題。實質(zhì)上，高密度電阻率法是集傳統(tǒng)電法中的電剖面法和電測深法的一種陣列式勘探技術(shù)方法，也是采用A、B、M、N四個電極進(jìn)行工作，其中A、B電極為發(fā)射電極，M、N電極為測量電極，但是采用的電極數(shù)量大，從數(shù)十個到數(shù)百個不等，且不同電極之間可以自由組合，采用多種裝置（溫納裝置、偶極裝置、單邊三極裝置等）和多種極距進(jìn)行測量，以獲取豐富的地電信息。上述地電信息主要通過測量獲取的電阻率剖面來顯示，通過電阻率剖面中的高電阻率異常、低電阻率異常、不同電阻率值之間的分界面等異常特征來分析研究地下巖土介質(zhì)的空間分布規(guī)律，從而推斷地下隱伏地質(zhì)體的位置、規(guī)模和分布形態(tài)特征，進(jìn)而圈出所要探測目標(biāo)體的空間位置、埋深和形狀[6-8]。

在高密度電阻率法實際探測過程中，需要沿測線，把全部測量電極按等間距布置到測線的測點上，后利用高密度電法主機和多電極轉(zhuǎn)換開關(guān)來跑極，從而實現(xiàn)電法數(shù)據(jù)的快速滾動采集。與此同時，高密度電法測量系統(tǒng)可以對每兩個電極間的接地情況進(jìn)行自動測量檢查，并可控制數(shù)據(jù)采集裝置和采集極距的變化，用計算機完成整條測線的數(shù)據(jù)采集工作。每條測線的測量數(shù)據(jù)采集完畢后存儲在高密度電法測量主機上，通過專門的數(shù)據(jù)線把測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶烂嬗嬎銠C中，用專門的高密度電法處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，主要包括數(shù)據(jù)處理格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)預(yù)處理（消除畸變數(shù)據(jù)）和數(shù)據(jù)迭代反演處理，數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行數(shù)據(jù)成圖，結(jié)合有關(guān)地質(zhì)數(shù)據(jù)資料解譯，形成地質(zhì)-地球物理解譯成果圖件。

2 城市地下巖溶探測技術(shù)與探測裝置

城市地質(zhì)環(huán)境比較復(fù)雜，對于地球物理探測來說多人文環(huán)境干擾，可屬于復(fù)雜的人文-地質(zhì)探測研究區(qū)，特別適合采用抗干擾能力強的地球物理探測技術(shù)方法，如主動源的電法探測。結(jié)合前期的系統(tǒng)研究和選擇，本次城市地下巖溶區(qū)探測技術(shù)主要采用高密度電阻率法，并針對工程建設(shè)需要重點解決城市地表以下50m以內(nèi)巖溶區(qū)精細(xì)探測技術(shù)難題。

高密度電阻率法探測裝置多種多樣，根據(jù)需要，本次采用抗干擾能力強的對稱四極裝置（圖1），也稱AMNB測量裝置，AB電極供電，MN電極測量，具體為溫納裝置，野外作業(yè)效率比較高[9]。數(shù)據(jù)采集設(shè)備為重慶頂峰地質(zhì)勘探有限公司研制的EDJD-3高密度電法測量系統(tǒng)，為分布式電法測量設(shè)備，非常適合戶外復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，抗干擾性、穩(wěn)定性和耐用性良好。

圖1 高密度電阻率法探測裝置工作示意圖

在城市地下巖溶探測過程中，高密度電阻率法測線沿探測目標(biāo)體走向垂直布設(shè)，同時依據(jù)場地的大小布設(shè)多個測量電極，測量主機通過線纜控制多個電極的滾動測量，進(jìn)行高密度電法的測量數(shù)據(jù)采集（圖2）。為了保證城市地下巖溶洞穴探測精度和深度，測量電極距采用1-2m，測量電極數(shù)在60道以上，測量供電電壓也在400V以上，確保測量到的最低電位差和電流值都在10以上，以獲取真實可靠的測量結(jié)果。

圖2 高密度電阻率法溫納裝置采集數(shù)據(jù)點空間分布示意圖

采集到的城市地下巖溶探測原始數(shù)據(jù)，先進(jìn)行原始數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，后進(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的預(yù)處理，壓制和消除因各種干擾因素造成的數(shù)據(jù)畸變，此后采用專門軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)反演計算，獲取測量成果數(shù)據(jù)，并將成果數(shù)據(jù)繪制成電阻率剖面圖。

3 城市地下巖溶探測技術(shù)應(yīng)用研究實例

3.1 探測研究區(qū)地質(zhì)-地球物理特征

探測研究區(qū)位于廣東省廣州市廣花盆地內(nèi)，區(qū)內(nèi)構(gòu)造穩(wěn)定，主要受廣從斷裂帶控制，并遭受了長期的侵蝕和剝蝕作用。由于廣花復(fù)式向斜內(nèi)分布有大面積的可溶性石灰?guī)r，其在地表水、地下水的侵蝕和溶蝕作用下形成了大量溶溝、溶槽、溶洞、巖溶洼地、巖溶漏斗和地下河，并受后期的構(gòu)造沉降作用影響，使隱伏于地下一定深度空間內(nèi)。依據(jù)已有地質(zhì)數(shù)據(jù)資料，探測研究區(qū)內(nèi)分布的地層主要有新生界第四系(Q)地層和石炭系(C) 地層。探測研究區(qū)內(nèi)的土層主要為第四系全新統(tǒng)(Q4)和上更新統(tǒng) (Q3)，缺失中更新統(tǒng)(Q2)和下更新統(tǒng)(Q1)。全新統(tǒng)由人工填土、淤泥層和淤泥質(zhì)砂土層組成，上更新統(tǒng)主要為沖積—洪積土層及殘積土層。探測研究區(qū)的下部基巖主要為石炭系下統(tǒng)大塘階石磴子段(C1ds)石灰?guī)r。

在探測研究區(qū)內(nèi)，淤泥的電阻率均值為10Ω·m，砂土的電阻率均值為19Ω·m，粘土的電阻率均值為24Ω·m，灰?guī)r的電阻率均值在200Ω·m以上。而巖溶區(qū)內(nèi)的巖溶洞穴由于充水，電阻率值較低，可與完整灰?guī)r區(qū)分。綜上，上述巖土介質(zhì)的電阻率區(qū)分明顯，可以采用高密度電阻率法進(jìn)行探測研究。

3.2 探測研究區(qū)數(shù)據(jù)采集和處理

本次城市地下巖溶探測區(qū)主要位于一處城中村中，高密度電阻率法測線沿已有道路布設(shè)，共布設(shè)了5條測線，每條測線使用96個測量電極，電極間距為2m，測線長度為190m，采用溫納測量裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每條測線可以采集數(shù)據(jù)點1488個。測量過程中，對每個電極進(jìn)行澆水處理，以使接地電阻在合理區(qū)間內(nèi)，最大程度的保證數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。

對于采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)導(dǎo)入、格式轉(zhuǎn)換和預(yù)處理后，采用電法軟件Geogiga RImager進(jìn)行反演計算處理，具體反演計算算法為佐迪反演。對于最后得到的反演成果數(shù)據(jù)，采用專門的繪圖軟件制成電阻率剖面等值線，進(jìn)行專門的地質(zhì)-地球物理解譯，圈出巖溶洞穴異常區(qū)，并進(jìn)行鉆探驗證。

3.3 探測研究成果分析研究

對城市地下巖溶高密度電阻率法探測成果，其中有兩條線顯示了較好的巖溶洞穴電阻率異常，且其中1條測線（G-7線）進(jìn)行了鉆探驗證。本次就以G-7線為主探析高密度電阻率法在城市地下巖溶中的探測效果（圖3）。從圖3可以看出，電阻率剖面等值線圖由到深可以明顯分成三層連續(xù)分布的電阻率異常區(qū)段，第一區(qū)段電阻率異常埋深在0-5m之間，結(jié)合地質(zhì)資料可解譯為地表填土層；第二區(qū)段電阻率異常埋深在4-19m之間，可以推測為沉積成因土層，具體為砂土和粘土互層，含水量高的電阻率相對較低，含水量低的電阻率相對較高，但均在100Ω·m以內(nèi)，屬于典型的沉積巖電阻率特征；第三區(qū)段電阻率異常埋深均大于17m，向下由于探測深度有限，無法對其最大埋深做出推斷，其電阻率整體在200Ω·m以上，可以推斷為本區(qū)的灰?guī)r基底。在灰?guī)r基底區(qū)內(nèi)，出現(xiàn)三處明顯的低電阻率異常圈閉，分別位于32-48m、72-84m和100-120m處，電阻率異常頂?shù)装迓裆罘謩e為19-26m、18-22m和17-30m，其電阻率值明顯低于灰?guī)r電阻率，可以推斷為巖溶洞穴異常。同時，發(fā)現(xiàn)高密度電阻率法隨探測深度加大其探測分辨率逐漸降低。

圖3 城市地下巖溶高密度電阻率法探測技術(shù)應(yīng)用研究成果圖

為了驗證高密度電阻率法城市地下巖溶的探測效果如何，在G-7測線112m處進(jìn)行了鉆探驗證，在其埋深大于20m以上區(qū)域發(fā)現(xiàn)串珠狀巖溶洞穴。與此同時，地表填圖層、沉積土層和灰?guī)r基底之間的分界面也得到了印證，充分說明了可以采用高密度電阻率法進(jìn)行城市地下巖溶區(qū)的精細(xì)探測工作，以查明工程建設(shè)區(qū)的巖溶區(qū)及其內(nèi)巖溶洞穴的空間分布、埋深和規(guī)模，進(jìn)行系統(tǒng)安全治理，全面保障城市工程建設(shè)安全。結(jié)合高密度電阻率法探測成果和鉆探驗證成果，克服了鉆探的“一孔之見”，同時充分發(fā)揮了高密度電阻率法的地質(zhì)CT探測功能[10]，這為城市復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的巖溶探測提供了一種新的技術(shù)解決方案。

4 結(jié)語

（1）高密度電阻率法對淺部低阻異常體有很好的探測效果，可以區(qū)分淺部不同巖土介質(zhì)的空間分布形態(tài)、埋深、規(guī)模和分界面，達(dá)到對不良地質(zhì)體的定位探測。

（2）高密度電阻率法可以很好的在灰?guī)r區(qū)內(nèi)識別巖溶洞穴異常，但隨著探測深度的加大，其分辨率逐漸降低，深部顯示的巖溶洞穴異常多為多個距離間隔近巖溶洞穴集體顯示。

（3）工程鉆探技術(shù)與高密度電阻率法緊密結(jié)合，可以以點帶面，高精度實現(xiàn)地質(zhì)CT功能，克服鉆孔的“一孔之見”，達(dá)到對城市地表以下工程地質(zhì)情況的精細(xì)探測。