物探方法在岩溶区高速公路地下空洞勘探中的应用

于 水，赵晨浩，吴 帅

（贵州大学喀期特重点实验室，贵州贵阳550000）

随着我国经济的快速发展，高速公路的建设在基础建设中投入的比重不断增加，尤其近几年国家对西南地区基础设施建设资金投入的增加，其中贵州省的高速公路的发展尤为迅速，但面临的问题也日益突出。因其喀斯特现象十分常见，岩溶地区占地广泛，大多数高速公路都要经过灰岩区。灰岩区的溶蚀现象十分普遍，很容易致形成空洞导致公路塌陷，进而造成不必要的财产损失与人员伤亡。

1 工程原理

1.1 高密度电法

勘探区内覆盖层与基岩二者间的视电阻率存在一定的差异，覆盖层视电阻率值相对较低，而基岩电阻率值就比较高一些，在基岩岩体中，节理裂隙发育和含水情况，都会引起视电阻率发生相应的变化。电阻率法勘查测区内的覆盖层厚度、岩体裂隙发育程度正是利用了这些物性上存在差异。

高密度电法利用的地质体间存在电性的差异，即电磁场或电场在时间和空间上的变化规律和分布特点，通过对这种差异的勘测与分析，来了解地下地质构造情况的一种地球物理勘探方式。高密度电法的优势在于可以勘探地下一定深度范围内纵向与横向2种方向上电性的变化情况，数据收集范围大，同时测量的密度高，解释方法多样，对地电条件的适应性强。

1.2 地质雷达

地质雷达和探空雷达相比，相同点在于二者都是以宽频带短脉冲形式通过天线发射高频电磁波（主频为数十至数百乃至数千兆赫），被物体或目标物反射后返回被另一天线接收。不同点在于地质雷达的电磁波是向地下发射，而地下与空中相比介质也更加复杂多变，干扰因素也多许多。若地下介质的波速v数值可知，可依据测到的脉冲波旅行时间T值计算目标体的埋深。

在探测中地质雷达的基本参数如下：

（1）电磁脉冲波旅行时：

式中：z∶——探测目标体的埋深；

x——发射、接收天线的距离（式中因z＞x,故x可忽略）；

v——电磁波在介质中的传播速度。

（2）电磁波在介质中的传播速度：

式中：c——在真空中电磁波的传播速度，2.9979×108m/s；

εr——介质的相对介电常数；

μr——介质的相对磁导率，一般μr≈1。

（3）电磁波的反射系数。电磁波在介质传播过程中，若相对介电常数差异较大时，电磁波将产生反射及透射现象，异常变化界面的电磁波反射系数是影响其反射和透射能量的分配关键因素：

式中：r——介质界面电磁波反射系数；

ε1——第一层介质的相对介电常数；

ε2——第二层介质的相对介电常数。

（4）地质雷达记录时间和勘查深度的关系：

式中：z——探测目标体的埋深；

t——雷达记录时间。

根据探测目标要求及场地特点，选择100MHz地面天线，32次叠加，点测方式，纵测线点距1m，横测线点距0.5m。

2 工程应用

2.1 地质概况

2.1.1 工程背景

贵阳环城高速西南环线K64+000～K64+200段路基为整体式路基，路基宽为26m，其中K64+000～K64+140段为挖方路基，K64+140～K64+200段为填方路基。

贵阳环城高速西南环线K64+040段左幅路面应急车道一侧出现路面塌陷，造成离路面深2m左右、半径约1.2m的凹槽。经现场调查，K64+071处右幅路基边缘、K64+075处左幅路基边缘、K64+091处左幅路基边缘存在空洞，K64+091处左幅路基下部水稳层已与上部结构脱空，同时K64+000～K64+200段路基左右幅道路路面存在多处裂缝。为使公路恢复正常的运营，亟待进行对路基路面的相关勘探及有效治理。

为减少对路段正常运营的影响，物探工作主要采用的方式为地质雷达法及高密度电法，主要目的是查明K64+000～K64+200段范围内路基侵蚀空洞、基岩岩溶发育情况等地质信息。

2.1.2 地形、地貌

勘探区位置在云贵高原以东的倾斜地区，属溶蚀型发育的地区，高低起伏较小。

2.1.3 地质构造

测区属扬子准地台—黔北台隆—遵义断拱—贵阳复杂构造变形区，贵阳向斜的西翼。测区附近发育一逆断层，场区地质构造发育。

2.1.4 地质条件

场区上覆土层为红粘土（Qel+dl），下伏基岩为三叠系下统大冶组（T1d）灰岩，薄—中厚层状岩层综合产状为90°∠56°。

2.2 地球物理特征

2.2.1 地下空洞的电阻率特征

（1）空气充填型地下空洞。一般表现为高电阻率的特征。

（2）地下水充填型地下空洞。一般表现为低电阻率的特征。

（3）坍塌充填型地下空洞。其充填介质通常包括碎石、泥土、水和空气，电阻通率一般介于上述两者之间。

2.2.2 地下空洞的介电常数特征

（1）空气充填型地下空洞。介电常数值较小、电磁波的传播速度较快、震波的强度衰减较慢；

（2）地下水充填型地下空洞。介电常数值较大、电磁波的传播速度较慢、震波强度的衰减速度较快；

（3）坍塌充填型地下空洞。介电常数值、电磁波的传播速度、震波强度的衰减速度等视充填物质而定，通常介于上述两者之间。

2.2.3 工区地球物理参数

勘探区的地球物理参数如表1所示。

表1 地球物理参数表

2.3 工作方法

结合实际的地形地貌，依据探测的具体要求，布置测线的情况如下：

地质雷达测线布置为：沿K64+000～K64+200左11m、左10m、左9m、左7m、左6m、左5m、左3m、左2m、左1m分别布置一条测线，编号为：LD1～LD1′-LD9～LD9′，分别采用多种天线频率进行探测；沿K64+000～K64+200右3m、右7m、右10m各自布置一条测线，编号为：LD10～LD10′-LD12～LD12′，各采用2种天线频率进行探测。

高密度电法布置为：沿K63+990～！K64+167左右侧外边缘各自布置一条测线，编号为：DF1～DF1′、DF2～DF2′。

2.4 资料解释与成果分析

2.4.1 高密度电法

DF1～DF1′测线（图1）：测线位于左幅边沟外缘，测线内表层为覆盖层，厚度在1～11m之间，其中K64+000～K64+080段相对较均匀，均厚约6～8m，K64+080～K64+180变化较大，薄者1m，厚者11m，推测该处发育溶沟溶槽，与地表揭露情况吻合。K64+030～K64+045段，中心埋深14m，存在一低阻条带状异常，推断为岩溶裂隙发育，岩体破碎，路基土层内的水有沿该低阻体向下运移的可能。

图1 DF1～DF1′测线物探成果解释图

DF2～DF2′测线（图2）：测线位于右幅边沟外缘，测线内表层低阻为覆盖层，K64+000～K64+133段厚度在4.5m左右，K64+133～K64+180段厚度在7.0m左右；基岩在K64+144～K64+157，中心深度10m，存在一低阻异常，推断为裂隙发育区。

2.4.2 地质雷达

图2 DF2～DF2′测线物探成果解释图

A左幅：

（1）浅表层异常。探测主要采用GR-IV地质雷达仪，采用频率为与200MHz与400MHz的屏蔽天线，每车道布置物探测线2条，每测线均使用2种天线扫描一次。此次探测共发现7处异常，其中2处疑似空洞异常（图3）。第一处（左幅）为全车道k64+79～k64+82，深0.5～1m左右；第二处（右幅）为应急车道k64+87～k64+94，深0.5～1.3m左右。

（2）中深层异常。中深层异常探测的主要目的是：勘察可能存在的岩土界面（表层与回填土界面、回填土与原生土界面、基岩面等），设备使用MALA地质雷达仪，采用频率为100MHz与250MHz屏蔽天线。但是因为施工场地限制，只在行车道与超车道进行了物探作业，每车道布置测线一条，每条测线均使用2种天线扫描一次。

物探发现：

①该场区覆盖层较厚条件下，250MHz电磁波有效穿透深度4～5m，100MHz电磁波有效穿透深度6～8m。

②K64+000～K64+060段填土层较厚，由K64+000段向K64+060减少到2m；K64+060～K64+160段填土层较薄，厚度约2～3m；K64+160～K64+200段填土层较厚，由K64+160段厚约3m向K64+200逐渐增加。可确定K64+000～K64+060段、K64+160～K64+200段为填方段，K64+060～K64+160段为挖方段。

③K64+042段物探异常推测为横向排水管，埋深约1m。

④K64+084段，埋深约4～6m，存在一强反射异常，可能为溶洞。

图3 疑似空洞异常雷达波特征

B右幅：受施工时间限制及场地条件影响，右幅仅开展了中深层异常勘察工作。

右幅中深层异常探测的主要目的是：勘察可能存在的岩土界面（表层与回填土界面、回填土与原生土界面、基岩面等），设备使用MALA地质雷达仪，天线采用250MHz屏蔽天线（探测结果见图4）与100MHz屏蔽天线（探测结果见图5）。分别在应急车道、行车道与超车道进行了物探作业，每车道布置测线一条，每条测线均使用2种天线扫描一次。物探发现K64+084～K64+088段，埋深约5～6m，存在一强反射异常，可能为溶洞。

3 结语

图4 250MHz地质雷达成果解释图

根据地质雷达探测及高密电法成果，综合分析，测区范围内面层、基层厚度在0.57m左右，垫层、路基厚度在1.4m左右，粘土层厚度在2～13m之间，溶槽内较厚。基岩表生岩溶发育，个别部分存在小型溶洞。左幅应急车道K64+030～K64+038段存在强反射异常，深度在0.5～0.8m之间，确定为垫层疏松。K64+079～K64+094段存在强反射异常，深度在0.5～0.8m之间，确定为脱空。左幅行车道K64+079～K64+095段存在强反射异常，深度在0.5～0.8m之间，确定为脱空。左幅超车道K64+079～K64+083段存在强反射异常，深度在0.5～0.8m之间，确定为脱空。右幅整个路基范围内在K64+084深8m存在强反射，推断为未充填型溶洞。最后经开挖证实左幅行车道K64+079～K64+094段与左幅超车道K64+079～K64+083段深度在0.6～0.75m间为脱空。

图5 100MHz地质雷达成果解释图

因为物探方法的多解性,对辨认和解释异常的情况具有一定的难度，往往采用某一种方法难以很好地判定。高密度电法具有探测数据丰富、探测密度较高、对存在电阻差异的地质体的识别能力强、解释方法多样简捷的优点，可较直接、形体地反映断面电性异常体的产状、形态、规模等数据信息。但是高密度电法的缺点是探测的深度还有待提升。而探地雷达探测作为一种高效、便捷、快速、无损探测技术，根据介质物性差异来探测与分析。地质雷达的缺点是电磁波易受外界的干扰（如周围高大建筑物）进而影响最终的分析结果，所以通过高密度电法与地质雷达配合，雷达天线用多种频率重复探测，使不同大小和深度的目标体能够较好处理，与高密度电法对比分析，极大提高了勘测最终结果的高效准确性和科学有效性。