采空区及岩溶探测方法技术探讨

刘　剑

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430063）

采空区及岩溶探测方法技术探讨

刘剑*

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430063）

查明采空区和岩溶在地下的分布情况，对铁路线路方案及后期施工具有重要指导意义。通过分析采空区和岩溶的地球物理特征，发现采空区与岩溶区往往表现为低阻异常。针对不同地质背景、地电条件以及探测深度要求，将低频地质雷达方法、高密度电法及高频大地电磁法应用于工程实际当中，分析了3种方法的有效性及探测效果，总结出一套实用且效果良好的采空区和岩溶探测技术。实际工程应用结果表明，低频地质雷达方法适用于探测埋深小于30m的目标体，高密度电法对埋深小于50m的采空区探测效果良好，高频大地电磁法对埋深大于50m的岩溶探测异常明显、可靠。

采空区；岩溶；低频地质雷达；高频大地电磁法

铁路选线阶段，地下采空区、岩溶发育区对线路方案往往具有重大影响，需要根据采空区或岩溶发育情况决定是否绕避或采取工程补强措施。由于很多采空区尤其是私采乱掘地区难以收集到完整开采资料，岩溶发育区往往也较复杂，因此必须查明在地下的分布情况。采空区的空间形态相对较为规则，而岩溶在地下的分布形态相对复杂，如以溶槽、溶洞等形态赋存，但就地球物理探测角度而言，采空区与岩溶具有类似的电性特征，因为采空区或岩溶发育区往往裂隙发育，容易汇集地下水，因此电性上往往表现为相对低阻，从而为利用电（磁）法探测此类地下空洞奠定了基础。针对采空区或岩溶探查，需要根据地质背景资料、探查深度等要求选用对应的物探方法，本文基于低频地质雷达方法、高密度电法以及高频大地电磁法说明在工程实际中的应用效果。

1　低频地质雷达方法［1-2］

探地雷达是以宽频带、短脉冲的电磁波由地面向地下发射，当遇到电性差异的地下地层或目标体便反射回地面，通过对地下反射回来的电磁波信号进行处理与分析，便可确定地下界面或地质体的空间位置及结构。常规地质雷达目前以主要用于混凝土结构无损检测，频率范围在400～2000MHz之间，探测深度一般为0.05～2m。对于施工阶段较浅部的路堑岩溶探测，频率范围在100～400MHz之间，实际探测深度小于5m。随着近几年超低频地质雷达的面世，使得勘探深度可达数十米，由于其具有勘探深度大、纵横向分辨率高、工作效率高等优势，很多情况下甚至可以取代常规电法，具有广阔的应用前景。图1即为长益常城际铁路某特大桥DK47+890～DK47+910段的雷达探测成果图，采用20MHz发射天线，该段地表为粉质粘土，层厚3～4m，下部为强风化泥灰岩，厚约8～10m，基岩为泥灰岩。分析图1可知，综合电磁波速度取0.11m/ns，在200ns（1#异常）及520ns（2#异常）附近，对应大致深度分别为8.6～13m和23～29m，雷达波反射相位突然由水平发生错断，分布紊乱，反射振幅变大能量增强，推测为岩溶发育区，后经钻孔揭示10.3～13m为岩溶空洞，验证了1#异常的存在。

图2为武汉市某小区地下人防空洞低频雷达探测成果图，抗日战争时期，因战事需要曾在小区所处的山体中修筑防空洞，因年代久远已无法确定防空洞具体位置，需要探明其进口位置。该别墅小区规模不大，环境幽静，无电缆电线干扰，适合于采用低频雷达进行探测。现场采用15MHz发射天线，测点点距1m。分析图2可知，雷达图像显示表层层位明显，且对深部层位也有较细致的反映，在18～24m之间地质雷达剖面上存在明显的反射波异常，经估算波速得到深度约11m左右，后经小区外侧侧向钻孔到该异常处附近时，钻孔漏水严重，无法取芯，推测为防空洞位置。

2　高密度电法［3］

图1　DK47+890～910段低频雷达探测成果图

图2　武汉某小区防空洞低频雷达探测成果图

高密度电法方法原理与常规直流电法相同，具有工作效率高、数据量大、地电信息丰富以及分辨率高的优点，适用于地形较平坦、接地条件良好地区的浅层勘探。昆明轨道交通6号线地铁线路从人民路延长线下方穿越，测线位于人民路延长线某边坡的二级台阶上，测线与6号线（已运营）线路方向斜交。该区表层为第四系粘土、粉质粘土层，下伏基岩为泥质砂岩、钙质粉砂岩等，测线114～129m段曾经出现数次塌陷，且塌陷范围逐渐扩大，由于塌陷区正好位于地铁隧道上方及人民路旁侧，严重威胁地铁运营及人民路过往车辆安全，为了查明塌陷影响范围，采用高密度电法勘探，极距3m。测线里程99～129m段明显存在一“漏斗状”的低阻异常，异常底部位于隧道顶部附近，与后期钻孔结果吻合，为后期工程整治设计提供了科学依据。

3　高频大地电磁法

高频大地电磁法是利用宇宙中的太阳风、雷电等入射到地球上的天然电磁场信号作为激发场源，其产生的平面电磁波垂直入射到大地介质中，根据Maxwell电磁场理论［4-5］，大地介质中将会产生感应的电场和磁场，计算电场和磁场的比值即可获得波阻抗，然后利用频率与阻抗的关系进一步计算出对应的深度。一般而言，高频信息主要反映浅部介质的电性特征，低频信息主要反映相对深部介质的电性特征。因此，在一个宽频带上观测电场和磁场信息，可以获得随深度变化的电阻率值，从而利用这种电性差异来判断是否存在异常。某高速公路玉园隧道YK124+700～YK125+200段上覆第四系土层主要坡积层，下伏基岩为侏罗系梨山组粉砂岩、砂岩以及栖霞组灰岩，呈构造接触关系。洞身里程YK124+777附近两侧电阻率值差别明显，推测存在不同岩性的分界，倾向小里程方向，岩性分界左侧为砂岩，右侧为灰岩，岩性分界地表位置与区域地质图中构造位置一致。此外，根据YK124+ 800～YK125+200段洞身附近电阻率等值线分布特征，推测存在4处岩溶异常，分别编号为1、2、3、4。后期针对1、2、3号异常布置编号分别为隧16、隧12和隧15三个钻孔，1号异常在90.2m（标高391.16m）深度开始见溶洞，厚5.6m，局部充填粉质粘土。2号异常于53.3m（标高392.32m）深度开始见一厚达73m的巨型溶腔，充填物为流塑—软塑—可塑状粉质粘土，以及深度128.1～137.6m之间存在一厚达9.5m的空洞。3号异常于17.8m（标高396.52m）深度开始见一厚达12.7m的溶洞，且52.9～57.5m深度、66.5～67.2m深度均存在溶洞。4号异常未布置钻孔，地表局部灰岩出露，溶蚀现象明显。

4　结论

（1）低频地质雷达方法适用于电磁干扰弱、接地条件差、探测深度小于30m的路基岩溶、采空区探查，效果良好。

（2）接地条件良好、探测深度小于50m时，采用高密度电法探测采空区效果良好。

（3）探测深度大于50m的弱电磁干扰区，高频大地电磁法探测岩溶效果良好。

［1］崔德海.超低频地质雷达在地形起伏地段路基岩溶勘探中的应用研究［R］.中铁第四勘察设计院集团有限公司，2012.

［2］张劲松，赵育刚，王梦茹.低频地质雷达深层探测分析［J］.地球物理学进展，2010（5）：1848-1855.

［3］刘晓东.高密度电法在工程物探中的应用［J］.工程勘察，2001 （4）：64-66.

［4］A.A.Kaufman，G.V.Keller.频率域与时间域电磁测深［M］.王建谋，译.北京：地质出版社，1987：221-240.

［5］姜鹰，曹哲明，刘铁.高频大地电磁法在宜万铁路隧道岩溶的应用［J］.工程地球物理学报，2006（3）：207-210.

Research of Method and Technology to Detecting Goaf and Karst

LIU Jian
（China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，LTD，Wuhan Hubei 430063，China）

It is of great guiding significance to identify the distribution of underground gob and karst in the pre-plan and post-construction process of railway project.By analyzing their geophysical characteristics，goaf and karst are found to exhibit low resistivity anomaly.According to different geological background，geoelectric conditions and exploration depth，three methods:low-frequency GPR，high density resistivity and Hi-frequency MT method are adopted in engineering practice.Thus，a set of practical and effective detection technology is worked out to detect the goaf and karst based on the effectiveness and validity of these methods.The results of practical application show that low-frequency GPR method is applied to object at a buried depth less than 30m，Hi-density resistivity method is effective to detect goaf less than 50m deep，and Hi-frequency MT method is most distinct and reliable for exploring the karst buried more than 50m depth.

Goaf；Karst；Low-frequency GPR；Hi-frequency MT

P631.3

A

1004-5716（2016）06-0186-03

2016-02-18

2016-02-25

刘剑（1983-），男（汉族），湖南永州人，工程师，现从事工程物探研究与应用工作。