电磁波CT技术在某桥墩岩溶勘察中的应用

王建军, 高建华

(1.湖北省地质局 地球物理勘探大队,湖北 武汉 430056; 2.水利部 长江勘测技术研究所,湖北 武汉 430011)

电磁波CT技术在某桥墩岩溶勘察中的应用

王建军1, 高建华2

(1.湖北省地质局 地球物理勘探大队,湖北 武汉 430056; 2.水利部 长江勘测技术研究所,湖北 武汉 430011)

结合某桥位5号墩岩溶探测实例,阐述井间电磁波CT技术的基本原理、工作方法及探测效果等。从后期钻孔验证结果来看,该方法能比较清晰、直观地反映岩溶发育情况,有效地弥补钻探工作以点代面的不足,为后期岩土工程勘察及设计提供工作依据。

井间电磁波CT;岩溶勘察;桥墩

岩溶发育区具有较强的隐蔽性,故在工程地质勘察中难以被发现。因其对工程设计、施工质量等方面有很大的影响,查明岩溶发育特征是非常必要的。由于单个钻孔仅可了解一点地层垂向上的变化,若要了解横向上地层变化特征则需布置大量钻孔。单纯采用钻探方法,则勘察成本和周期可能成倍增加。大量实践表明,井间电磁波CT技术以其分辨率高、解析成果直观等特点,广泛应用于工民建、公路、铁路、环境、矿山等多方面工程地质勘察中[1-3]。尤其是在岩溶等隐伏地质体的探测工作中具有较好的应用效果,它可快速查明岩溶的分布位置和范围,在解决岩溶地质灾害问题方面具有不可替代的优越性。

武汉沌口长江大桥5号墩钻探过程中发现岩溶发育,尤其右侧基础处岩溶极发育,但钻探成果无法判定其空间分布形态。为此,在现有的钻孔地质资料基础上,应用井间电磁波CT对该桥墩基岩地质进行了勘察,收到了良好的勘察效果,为桥梁施工设计提供了重要的工作依据。

1 方法原理

电磁波CT即用无线电波为物理手段对地质体进行成像,其根本出发点是基于惠更斯原理。电磁场的物理基础是麦克斯韦方程[4-5],从麦克斯韦方程组推导出电偶极子场,当测点与发射点距离足够远时,可以将电偶极子场作为辐射场。在辐射区内,介质中的电磁波传播路径可以用射线来描述。实际工作中,井间电磁波法通常使用的都是半波天线,对于配置半波偶极子天线的电磁波仪，当两钻孔平行时,其辐射场的场强可表达为:

式中:E0为初始辐射场(V/m)；R为射线长度(m),即射线传播的路线积分；D为两孔间的水平距离(m)；β(dB/m)是反映介质电磁特性的一个参数,称为介质电磁波吸收系数。

因为接收天线上的每一点的场强不同,故读出的观测值E实际上是某种平均值。其大小与场强沿接收天线的分布、接收天线的几何性质以及接收点周围的介质情况有关,它反映了辐射场在空间的分布。通过对实测电磁场强进行处理,重构射线所扫描的区域内岩体介质电磁波吸收系数分布,从而确定异常的位置、空间分布和形态。

由于不同介质对电磁波的吸收存在差异,当电磁波穿越不同的地下介质(各种不同的岩石、矿体等),或者层析介质中存在不均匀层或裂隙破碎等异常时,其电阻率、介电常数、电导率、磁导率等均发生变化,吸收系数就会呈现异常,可以利用这些差异来推断目标体位置、结构与形状。根据β表达式可以知道,β由电阻率、介电常数、磁导率、电磁波频率所共同决定,所以在一定频率下吸收系数是地下不同地质体由于其不同电阻率、介电常数、磁导率综合效应的结果。通过分析可知,在一定频率下,当μ、ε一定时,电磁波的吸收系数主要由σ决定,当σ大时,β就大,即当地下地质体为良导体时,吸收系数就大,反之吸收系数就小。由此可见,电磁CT法对良导体异常有很好的反映。在电磁波视吸收系数剖面成果资料中,岩溶发育区、岩体破碎及裂隙发育区,视吸收系数表现为高值异常。

图1 桥位5号墩位平面及钻孔布置图Fig.1 Layout of No.5 the bridge pier bit plane and borehole

2 地质与探测概况

2.1 桥位5号墩地质概况

沌口长江大桥5号墩中心桩号K96+794,位于长江河道右岸岸坡中上部,自然坡度约10°～15°,自然地面标高14.49～18.58 m。该墩处石咀背斜西翼,上覆土层由新近沉积土、中更新统老粘土及残积土构成,厚4.5～6.5 m,其下全风化泥岩厚7.5～10.7 m,下部基岩由泥盆系石英砂岩及石炭系(C)—二叠系下统(P1)灰岩构成。二叠系灰岩呈中薄层状,裂隙发育,之下石炭系灰岩呈中厚层状,局部裂隙较发育,最下部泥盆系石英砂岩岩石新鲜,其质硬性脆裂隙发育,岩体完整性差。该墩主要存在岩溶问题,在墩位及其邻区共钻12孔(两处验证孔511、512)(图1),5孔遇溶洞,达44%,尤其以504、505号孔岩溶最为发育；溶洞呈串珠状发育于二叠系灰岩中,钻探揭露最大洞径5.7 m,岩溶最大发育深度达74 m,该区岩溶强发育且发育深度大,对桥基设计影响严重。

2.2 物探工作

工作中针对岩溶发育的地段进行了井间电磁波CT工作,完成了2条电磁波CT剖面,分别为ZK504-ZK503剖面、ZK503-ZK505剖面。经过试验,井间电磁波CT工作选用频率3 MHz。在布设观测系统时尽可能对被测区域进行全方位扫描,采用多次覆盖技术,结合同步观测和发射机与接收机互换的定发观测系统,点距定为1 m。

3 成果分析及验证

3.1 井间电磁波CT

ZK503孔口高程为17.67 m,孔深75.30 m,在高程3.87 m处见灰岩,ZK504孔口高程为17.57 m,孔深74.00 m,在高程0.47 m处见灰岩,ZK505孔口海拔高程为18.52 m,孔深91.50 m,在海拔0.28 m处见灰岩,因此测试从高程0 m(深度分别为17.67 m、17.57 m、18.52 m)处开始,ZK503至可测孔深63.7 m止,ZK504至可测孔深63.6 m止,ZK505至可测孔深64.5 m止,孔间距均为19.5 m；工作示意图见图2,视吸收系数结果见图3。

图2 电磁波CT野外工作示意图Fig.2 Schematic diagram of electromagnetic wave CT field work

由该图可看出,ZK504-ZK503剖面存在两处视吸收系数高异常区:①平面位置6.8～13.9 m、深度33.7～48.8 m处为一高值异常,该异常亦呈条带状斜向发育,向504孔倾斜,视吸收系数>0.2 dB/m,推测为溶蚀发育区,后期在该异常段增补511孔,验证了该溶蚀区的存在。②平面位置0～4.9 m、深度30.5～44.7 m处为一高值异常,呈条带状斜向发育,向504孔倾斜,视吸收系数>0.2 dB/m,该段为溶蚀发育区,与钻孔资料相吻合。①、②两处岩溶发育较强,通过破碎的岩石、小型溶蚀等可能存在连通关系。

图3 视吸收系数及解释成果图Fig.3 Apparent absorption coefficient and the interpretation results

ZK503-ZK505剖面存在两处视吸收系数高异常区:①平面位置18.2～19.5 m、深度19.5～23.2 m处为一高值异常,呈椭圆型斜向发育,向505号倾斜,视吸收系数>0.2 dB/m,结合钻探资料,该段为岩溶较发育区。②平面位置17.1～19.5 m、深度48.5～64.5 m处为一高值异常,该异常呈条带状垂直发育,视吸收系数均>0.2 dB/m,为岩溶发育区,与钻孔资料相吻合；该处岩溶发育较强,且向剖面内不甚发育。剖面间岩体大规模溶洞不发育。

3.2 桥基总体评价及采取的对策

井间电磁波CT成果与钻探成果吻合良好,后期钻探亦对ZK504-ZK503剖面段异常②进行了钻探验证。通过物探工作,准确地确定了该桥墩基础处岩溶的位置、规模和埋深等基本情况(见图3所示)。

由图3可知,ZK505附近处于强岩溶区边界线附近,溶蚀区主体位于墩外,且发育深度大,对桥基设计影响最为严重。据此,设计对5号墩进行了微调,并在新墩位区布置了5个钻孔(SZK512-SZK516),勘探揭露显示:新布置的钻孔均未遇溶洞,岩体溶蚀现象亦不明显,新鲜完整岩体厚度29.8～34.3 m,其下为泥盆系石英砂岩,以完整的白云岩作为桥梁桩基持力层,安全可靠。

4 结语

物探工作针对桥墩处岩溶发育情况进行了有效探测,查明了岩溶发育特征,工作成果得到了钻孔验证,为桥基设计提供了指导性的基础资料。

通过实例表明,在灰岩地区开展井间电磁波CT探查岩溶,是一种比较有效的手段。和常规物探方法相比,该方法分辨率高,亦可克服常规物探方法难以解决的场地狭小等困难。但使用过程中需考虑井间距、频率等因素。选择合适天线,且应使孔深与井间距相互匹配。实践证明,井间物探方法与钻孔资料相结合,具有良好的探测效果,可方便应用于工程地质勘察中,其解释准确可靠,有效地弥补了钻探工作的不足,具有较好的应用价值。

[1] 李张明.电磁波层析成像技术在溶洞探测中的应用[J].中国岩溶,1995,14(4):372-378.

[2] 何禹,李永涛,朱亚军.钻孔电磁波CT技术在深部岩溶勘探中的应用[J].工程地球物理学报,2010,7(4):451-455.

[3] 岳崇旺,王祝文,徐加益.电磁波层析技术在工程地质中的应用[J].物探与化探,2008,32(2):216-219.

[4] 吴以仁,邢凤桐.钻孔电磁波[M].北京：地质出版社,1982.

[5] 岳崇旺.井间电磁波层析成像研究与应用[D].吉林:吉林大学,2007:22-28.

[6] 杨文采.地球物理反演和地震层析成像[M].北京：地震出版社,1989:36-43.

(责任编辑：陈姣霞)

Application of Electromagnetic Wave CT in the Investigation of Pier

WANG Jianjun1, GAO Jianhua2

(1.GeologicalExplorationBrigadeofHubeiGeologicalBureau,Wuhan,Hubei430056; 2.ChangjiangSurveyandMeasurementTechnologyResearchInstitute,MinistryofWaterResource,Wuhan,Hubei430011)

According to a example of detecting karst of bridge No.5 foundation,the paper describes the basic principle of cross hole electromagnetic wave CT technology,working methods and the detection effect etc.From the late drilling verification results show that the method can more clearly and intuitively reflect the development of karst,effectively compensate for the lack of a point to the surface of the drilling work,provide the basis for geotechnical engineering investigation and design stage.

electromagnetic wave CT; karst; investigation; pier

2015-02-12;改回日期:2015-04-20

王建军(1974-),男,高级工程师,硕士,物探专业,从事工程物探工作。E-mail:497620128@qq.com

U442.2; P631.3+25

A

1671-1211(2015)04-0464-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201504020

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150619.1333.001.html 数字出版日期:2015-06-19 13:33