电磁波CT技术在覆盖型岩溶地区地质勘察中的应用

2016-04-13王俊

铁道勘察 2016年1期

关键词：基岩溶洞电磁波

王　俊

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)

电磁波CT技术在覆盖型岩溶地区地质勘察中的应用

王俊

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055)

Application of Electromagnetic Wave CT Technology in Geological Investigation of Covered Karst Areas

WANG Jun

摘要覆盖型岩溶地区地质勘察，一般要求对桥梁墩台开展逐桩钻探，昂贵的勘探成本给铁路勘察设计工作带来巨大的经济负担。以某城际铁路高架车站为例，详细阐述电磁波CT物探技术在地质勘察过程中的应用，其与钻探相互印证且效果良好，对指导后期设计施工有较高的实用价值。

关键词覆盖型岩溶电磁波CT技术综合勘探

岩溶地区地质条件相当复杂，选用勘探方法时应注意其适用条件，且应采用多种勘探手段互相补充、相互验证，以提高勘探效果[1]。应采用物探，并与钻探、挖探、测试等相结合的综合勘探方法，对桥基应根据基础类型及岩溶发育程度，每个墩台应布置1～5个勘探点，柱桩宜每桩一孔，摩擦桩每个墩台不宜少于2孔[2]。选择合适的勘探方法，在节省勘探工作量的基础上查明工程、水文地质条件，成为当前岩溶地区铁路勘察设计过程中的一个重难点。

目前，电磁波CT技术在各类工程建设领域的岩溶探测方面有了较多的应用，但大多未真正指导实践[3-13]。以某城际铁路高架车站为例，详细探讨电磁波CT技术在覆盖型岩溶地区地质勘察中的应用适宜性，为后期设计施工提供详实可靠的数据支撑。

1方法原理

电磁波层析成像技术(CT)是利用电磁波透射观测体，并通过计算机层析成像技术来探测物体内部结构的一种新兴技术[14]。电磁波物探勘察是基于地下介质的物电性差异，利用各种波源透视探测地质目的体的一种地球物理方法。

电磁波法是利用无线电波(工作频率0.5～32 MHz)在两个钻孔中分别发射和接收，根据不同位置上接收的场强大小，来确定地下不同介质的分布情况[15]。当电磁波通过不同的地下介质(如各种不同的岩石、矿体及溶洞、破碎带等)传播时，由于不同介质对电磁波的吸收存在差异，如溶洞、破碎带等的吸收系数比其围岩的吸收系数要大得多，在溶洞、破碎带背后的场强也就小得多，从而呈现负异常。可以利用这一差异推断目标地质体的结构和形状。吸收系数的计算公式如下

βs=1/R(ln(E*/E)+2lnr-3lnR)

式中R——发射机与接收机之间的距离；

r——两个钻孔之间的水平距离；

E*——仪器有效辐射常数；

E——仪器实际观测值。

2应用实例及其效果检验

2.1工程概况

某城际铁路高架车站勘察区地层岩性：上覆第四系人工填筑层(Q4ml)、第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl)，下伏基岩为泥盆系上统帽子峰组(D3m)粉砂岩，泥盆系上统天子岭组(D3t)石灰岩。本次勘察在总结分析高架车站区域地质条件的基础上，选取其中4个承台作为应用实例，共布置2条物探剖面。承台、桩基及物探剖面平面布置情况见图1。

图1　承台、桩基、物探剖面平面布置示意(单位：mm)

2.2应用过程

本着钻探、物探相结合的综合勘探原则，对7A-1、7A-4、7C-2、7C-4、12A-1、12A-4、12C-2、12C-4共8根桩基进行钻探，以掌握4个承台的整体岩溶发育程度，钻进深度按钻至溶洞底板完整基岩不小于10 m控制。同时要求7A-1、7C-2、12A-1、12C-2钻孔终孔孔径不小于108 mm，终孔后全孔下入直径不小于89 mm的PVC管，并将上述钻孔作为物探试验孔。

图2　7C-2—7A-1、12C-2—12A-1钻探横断面示意

图2为7C-2—7A-1、12C-2—12A-1钻探横断面示意，横断面间距均为16.375 m，图2中数据信息均以高程标示。如图2所示：7C-2钻孔基岩面高程-4.81 m，基岩面附近发育一个小溶洞，溶洞揭露高度为0.68 m，溶洞底板高程-6.02 m，终孔高程-16.17 m；7A-1钻孔基岩面高程0.02 m，基岩面附近同样发育一个小溶洞，溶洞揭露高度为1.28 m，溶洞底板高程-2.54 m，终孔高程-12.58 m。12C-2钻孔基岩面高程-0.82 m，基岩面以下发育三个小溶洞，溶洞揭露高度分别为0.81 m、2.49 m和1.91 m，溶洞最深底板高程-15.70 m，终孔高程-25.80 m。12A-1钻孔基岩面高程2.06 m，基岩面以下同样发育三个小溶洞，溶洞揭露高度分别为3.26 m、4.55 m和1.85 m，溶洞最深底板高程-24.66 m，终孔高程-32.92 m。从承台整体岩溶发育程度来看：CT1、CT2溶洞均在基岩面附近发育且洞径较小，靠7C-2的一侧相比靠7A-1的基岩面及溶洞底板高程要深3～5 m；CT3、CT4溶洞较为发育，基岩面以下发育3个且洞径一般大于1 m，个别甚至接近5 m，靠12C-2的一侧相比靠12A-1的基岩面高要深约3 m，但最深溶洞底板高程却要浅将近9 m。CT1、CT2与CT3、CT4的岩溶发育程度有所差异，正好体现出物探剖面布置的适宜性及其意义。本次物探采用仪器为EW-1A型电磁波透视仪，选取8 MHz频段为主要工作频率，发射机与接收机工作点间距为1 m，电磁波CT成像采用中国地震局地球物理研究所研发的软件进行计算和处理，图3与图4即为两个物探剖面的最终成果，图中X轴为距离、Y轴为深度。吸收系数是一个相对概念，在资料解释时，每个剖面需要采用不同的吸收系数来确定异常：对于7C-2—7A-1剖面，将吸收系数≥0.692的区域定为透视异常；对于12C-2—12A-1剖面，将吸收系数≥0.628的区域定为透视异常。

图3　7C-2—7A-1物探剖面成果

图4　12C-2—12A-1物探剖面成果

7C-2—7A-1剖面物探解译结果：距7C-2侧，距离在4.3～10.7 m、高程在-9.7～-6.2 m范围发育一溶洞；距7A-1侧，距离在0～5.8 m、高程在-6.2～2.8 m范围发育一溶沟、溶槽且与覆盖层连通；两钻孔间高程2.8 m以上为覆盖土层或溶槽充填土层。12C-2—12A-1剖面物探解译结果：距12C-2侧，距离在0～11.7 m、高程在-19.3～-9.9 m范围发育一溶洞；距12A-1侧，距离在0～5 m、高程在-20.3～-14.9 m范围发育一溶洞，高程在-6.3～-1.3 m范围发育一溶沟、溶槽且与覆盖层连通；两钻孔间高程-6.3 m以上为覆盖层土层或溶槽充填土层。

2.3效果检验

首先，取CT1和CT2中7C-4、7A-4以及CT3和CT4中12C-4、12A-4钻孔进行验证，4个钻孔虽然相距剖面3.75 m，但却具备重要的参考价值。钻探揭露情况：7C-4基岩面高程0.65 m，高程-6.35～-8.78 m范围发育一溶洞，溶洞揭露高度1.43 m，终孔高程-18.85 m；7A-4基岩面高程1.40 m，高程0.85～-0.20 m、-2.07～-3.60 m范围发育两个溶洞，溶洞揭露高度分别为1.05 m和1.53 m，终孔高程-13.86 m；12C-4基岩面高程-0.01 m，高程-1.52～-2.03 m、-3.60～-6.35 m、-7.11～-7.71 m范围发育三个溶洞，溶洞揭露高度分别为0.51 m、2.75 m，终孔高程-23.10 m；12A-4基岩面高程0.43 m，高程-1.82～-2.12 m、-2.75～-3.47 m、-14.76～-16.41 m、-16.99～-19.07 m、-21.82～-22.91 m范围发育5个溶洞，溶洞揭露高度分别为0.3 m、0.72 m、1.65 m、2.08 m和1.09 m，终孔高程-30.98 m。

验证效果：7C-4、7A-4钻孔基岩面高程接近1 m，相比物探解译结果要深2 m左右，原因可能为薄层顶板尚未彻底溶蚀所致，7C-4钻孔的溶洞揭露情况基本与物探解译结果相吻合，仅最深溶洞底板高程略浅约1 m，7A-4钻孔揭露溶洞位置整体高出，与物探解译结果不匹配；12C-4、12A-1钻孔基岩面高程基本与与物探解译结果相吻合，仅部分薄层底板、隔板溶蚀残余。12A-4钻孔的溶洞揭露情况也基本与物探解译结果相吻合，仅最下部1.09 m溶洞有些许偏差。12C-4钻孔溶洞底板虽按15 m完整基岩控制，但在-7.71 m高程以下却未发育溶洞，与物探解译结果不匹配。

其次，考虑到前期钻探摸查与物探布置试验的不相匹配情况，以及岩溶发育程度对桥梁桩基设计的指导作用，后期补充7A-3、12A-2、12A-3共3个钻孔进行勘探继续验证。上述3孔的钻探揭露情况为：7A-3基岩面高程0.64 m，高程-0.81～-2.95 m、-9.53～-12.58 m范围发育两个溶洞，溶洞揭露高度分别为2.14 m和3.05 m，终孔高程-22.69 m。12A-2基岩面高程0.34 m，高程-0.86～-1.26 m、-2.26～-2.76 m、-3.26～-6.46 m、-11.56～-12.96 m、-13.26～-14.56 m、-15.26～-21.36 m范围发育6个溶洞，溶洞揭露高度分别为0.4 m、0.5 m、3.2 m、1.4 m、1.3 m和6.1 m，终孔高程-22.69 m。12A-3基岩面高程-0.35 m，高程-2.22～-5.35 m、-20.30～-22.72 m范围发育两个溶洞，溶洞揭露高度分别为3.13 m和2.42 m，终孔高程-30.90 m。

验证效果：7A-3钻孔的溶洞揭露情况弥补了7A-4钻孔与物探解译结果的不匹配性，同时弥补了7C-4钻孔在溶洞揭露最深部位深度上的不足，但最深处溶洞底板高程相比物探解译结果还要深3 m左右，比7C-4钻孔深约2 m，说明7A-3钻孔勘探验证效果良好且十分必要；12A-2、12A-3钻孔揭露的岩溶发育情况与12A-1、12A-4两孔相近，弥补了12C-4钻孔与物探解译结果的不匹配性，勘探验证效果同样良好。

3结论与建议

通过前期钻探与物探试验，以及后期钻探的再验证，得出结论和建议如下：(1)岩溶地区地质条件复杂，岩溶发育规律难以在细节上查明，为更好更详尽地指导设计施工，选择钻探与物探相结合的综合勘探手段，具有重要的实用性意义；(2)纵观各个环节的验证情况，钻探与物探相互印证，验证效果良好，电磁波层析成像技术在覆盖型岩溶区地质勘察过程中得到了较好的应用；(3)物探解译仍然存在一定偏差，在刻画基岩面、溶洞顶底板、溶洞揭露高度等关键部位信息上不如钻探直接、准确；(4)7C-2—7A-1剖面剩余7C-1、7A-2未钻探，但7C-1孔的溶洞揭露情况用7C-2、7C-4、7A-4三孔进行推断即可，7A-2孔的溶洞揭露情况用7A-3、7A-4两孔进行推断，最深溶洞底板高程参考物探解译成果-6.2 m进行控制即可，靠7A-1侧岩溶发育程度确实比靠7C-2侧低；(5)12C-2—12A-1剖面仅剩12C-1未钻探，但12C-1孔的溶洞揭露情况用12C-2、12A-3两孔进行推断即可，同时最深溶洞底板高程参考物探解译成果-19.3 m进行控制；(6)物探试验在一定程度上节省了钻探工作量。

参考文献

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