物探技术在隧底岩溶勘察中的应用研究

2014-01-03冯彦谦许广春

铁道标准设计 2014年1期

冯彦谦，许广春

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

1 概述

铁路隧道经常穿过地质条件复杂的岩溶地区，岩溶系统分布具有一定的规律性，但不同岩溶形态的空间展布是不规则的，同时，岩溶水的运动条件非常复杂，勘察清楚岩溶的规模、边界，保证岩溶隧道基底质量，消除安全隐患，具有其必要性。

一般情况下，岩溶化程度最强的是灰岩，其次为白云质灰岩和白云岩，再次为泥质灰岩。从碳酸盐岩的结构来说，一般晶粒越粗，溶解度越大，岩溶发育就愈强烈。因为晶粒愈粗大，岩石的空隙也大，吸水率高，抗侵蚀能力弱，有利于溶蚀。一般岩层愈厚，岩溶就愈发育，且形态齐全，规模较大，薄层碳酸盐岩地层，岩溶化程度较弱。同时，岩溶发育的垂直分带性取决于可溶岩地区水文地质的垂直分带。在地表，受地表径流的影响，岩溶形态以溶沟、溶槽、石芽等为主;在包气带，岩溶形态以漏斗、落水洞、竖井为主;在季节交替带，岩溶发育最强烈，常形成复杂的大型溶洞、暗河、地下湖等。在水平径流带，地下水运动也相当强烈，常发育大量水平和倾斜的溶洞;在深部缓流带，岩溶一般不发育，往往只有小溶洞及溶孔等。

2 物探方法的选取

根据岩溶的发育规律特征以及电磁波、地震波的传播特征，采用探地雷达、高密度地震映像综合勘察方法进行隧底岩溶探测。

探地雷达探测是一种对地下目标体或界面进行定位的电磁技术，其基本工作原理是:利用一个天线发射高频宽频带电磁波，另一个天线接收来自地下介质界面的反射波，根据接收到的波的旅行时间(双程走时)、波形以及强度等参数资料，推断地下目标体的空间位置、结构、几何形态等情况，从而达到对地下目标体探测的目的。

根据电磁波理论，当雷达脉冲在地下传播过程中，遇到不同电性介质交界面时，由于上下介质的电磁特性不同而产生折射和反射。

雷达波在传播过程中遇到岩溶破碎区，雷达波形成反射、绕射、散射等现象，而且雷达波中的高频成分经破碎介质过滤后快速衰减，遇溶洞则出现强反射或出现明显绕射波等特征。

高密度地震映像法，是以相同的小偏移距逐步移动测点来接收地震波信号，利用各种地震波的运动学和动力学特征，来反演介质的物性参数，获取物性分界面或突变点的一种浅层地震勘探方法。在隧底岩溶探测中，用地震映像法采集数据时，采用单点激发，组合检波器进行接收。仪器记录后，激发点和接收点同时向前移动一定的距离，重复上述过程，可以获得一条地震映像的时间剖面图。

当仰拱下部基岩溶蚀破碎或岩溶发育时，高频成分经破碎介质过滤后快速衰减，形成反射、绕射、散射等现象，地震资料中会出现强低频振荡反射波或出现明显绕射波等特征。

3 方法影响因素

(1)测线要尽量布设在基底平整的地点，一般在仰拱浇筑后进行隧底岩溶探测。

(2)隧道基底的淤泥、积水会衰减电磁波的传播，同时衬砌台架也使得电磁波产生有规律的反射，故探地雷达施测前，必须尽量规避相关干扰。

(3)由于地震波易于受到爆破等振动干扰，故高密度地震映像施测前，要将振动干扰等不利因素排除。

4 实例分析

某铁路隧道位于吕梁山黄土梁卯区，设计为双线隧道。隧道进出口位置冲沟较发育，出口为黄土偏压，进口为角砾状泥灰岩为主，局部夹石灰岩，中部存在断层破碎带，分布断层泥及断层角砾状松散结构。

开挖揭示局部段落溶蚀现象严重，左、右边墙皆发育有溶洞。为保障行车安全，在仰拱铺设后，轨道铺设前需进一步采取物探方法查明隧底岩溶规模、分布情况。

探地雷达采用100 MHz天线，采样长度180 ns，仪器采用美国GSSI地球物理探测系统，SIR-20型地质雷达。

高密度地震映像法采用落锤震源，偏移距1 m，点距1 m，仪器采用美国Geometrics公司NZ-72地震仪和放置于铁鞋上的5个60 Hz高频组合检波器，采样率0.031 25 ms，记录长度128 ms。地震映像法测线采用测绳放点。

在仰拱下部基岩完整时，电磁波、地震波穿透时，波组特征表现为同相轴连续，能量均一，未有明显强反射(图1、图2)，两图分别为DK100+750～+800段仰拱下完整基岩的探地雷达和高密度地震映像图像。

当仰拱下部存在岩溶(溶蚀)段落时，两种探测方法剖面上均会出现强反射异常，表现为:低频、同相轴错段、能量大、延续周期长。在DK100+320～+345处(图3、图4)、DK100+510 ～ +530 处(图 5、图6)、DK100+610～+625处、DK100+650～+670处(图7、图8)处均有异常表现，故分别在DK100+330(对应ZY-1钻孔)、DK100+520(对应 ZY-2钻孔)、DK100+620(对应ZY-3钻孔)、DK100+665(对应ZY-4钻孔)四处布设钻孔，进行钻探验证，均钻探到溶腔，表明我们基于隧底岩溶物探异常的判别是客观存在的。

图3 DK100+320～+345处雷达图像

图4 DK100+320～+345处地震映像

图5 DK100+510～+530处探地雷达图像

图6 DK100+510～+530处地震映像

异常深度的确定:通过高密度地震映像法无法获得地震波速度，而根据相关经验，电磁波在灰岩及混凝土中传播的速度的平均值约为0.11 m/ns，据此按照探地雷达探测成果给出异常深度。表1是物探异常深度与钻探深度对比表，可以看出:ZY-1、ZY-3、ZY-4钻孔物探异常深度确定的误差为0.1 m，ZY-2钻孔物探异常确定的深度没有误差，佐证了物探深度确定的合理性。

图7 DK100+610～+625处、DK100+650～+670处探地雷达图像

图8 DK100+610～+625处、DK100+650～+670处地震图像

表1 钻孔分布及钻探异常

探测过程中，发现在DK101+120～DK101+140处，雷达图像上明显看到反射波强烈，并且呈双曲线形态，但高密度地震成果未见异常(图9、图10)。经过研究后，在该测线旁3 m处另布设一条雷达测线作为旁测线(图11)，结果与之前雷达剖面有相似异常反应，施以钻探验证，钻探到了溶腔，深度为 5.4～6.8 m。这表明:由于仰拱结构形式等原因可能会造成有些物探异常在两种方法剖面上不能够同时得到有效反映，此时应该在异常反应明显的物探方法上布设旁测线，以进一步确定异常的存在与否。