电磁波CT在赤水河大桥主承台岩溶探测中的应用

陈 川

(四川省兴冶岩土工程检测有限责任公司，四川成都 610000)

0 引言

目前，电磁波CT探测广泛运用于桥梁、隧道、水电水利工程等领域，探测覆盖层(砂层)、破碎岩体、断层带、裂隙密集带、溶蚀区等不良地质体的发育情况，取得了较好的应用效果[1]。但是在具体的应用中，往往存在个别工区特有的地质体，这些地质体可能是天然形成，也可能是施工造成，在反演剖面中，反映的是这些地质体的空间形态、大小、填充介质等影响因素与围岩形成的综合响应，这使得探测结果扑朔迷离，如何去伪存真是解决这类问题的关键[2]。贵州赤水河大桥主承台在检测之前已经形成了数个人工挖孔桩，个别孔正在施工，部分孔已经完成钢混浇筑，人工挖孔桩的存在使电磁波CT探测结果存在网状异常、形态散乱，如何客观地解释是判断赤水河大桥主承台下岩体完整程度、岩溶是否发育的关键。本文结合该工区工程状况，通过建立、讨论正演模型并运用于处理解释中，能较好地解决该工区这一问题。

1 电磁波CT基本原理

孔间电磁波CT技术基本原理是，利用不同地质体对一定频率下的电磁波的能量吸收强弱不同再现地质体异常的电磁波吸收系数图像，它是现代地球物理勘探技术领域最新成果的结晶[3-5]。

电磁波CT层析成像的过程和原理见图1。

图1 电磁波CT工作原理

电磁波CT是基于惠更斯原理用无线电波对地质体进行成像的物理手段。从麦克斯韦方程组推导出电偶极子场，当电偶极子衍射效应可以忽略，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[6]。对于配置半波偶极子天线的电磁波仪，其辐射场的场强见式(1)、式(2)[7]。

(1)

由公式(1)可以推导出：

(2)

式中：E0为初始辐射场，V/m；R为射线长度(即射线传播的路线积分) ,m；D为两孔间的水平距离，m；β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，dB/m。

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。

2 工区地质概况

赤水河特大桥桥址区位于贵州省习水县习酒镇沿赤水河下游约5 km处，属赤水河溶蚀峡谷地貌。贵州岸坡度较缓，基岩出露范围较广，坡体表面植被发育，岩层产状较缓，工区内地层岩性为：第四系全新统人工填土块碎石(Q4ml)；第四系全新统粉质黏土(Q4el+dl)；下三叠统茅草铺组灰岩(T1m)；下三叠统夜郎组钙质泥岩(T1y)。区域地调资料显示，三叠系的碳酸盐岩类中，溶洞和岩溶破碎较为发育，当地局部地区可见溶洞造成的地面塌陷[8-9]。

通过对施工现场的踏勘可知，赤水河大桥(贵州岸)左幅承台桩基挖孔作业仍在进行，未浇筑。右幅承台桩基成孔、浇筑均完成，大桥桩基直径3.5 m，深度20 m左右，检测钻孔分别位于承台四角处，孔深在35～40 m之间，多条连孔测试剖面经过桩基孔。

3 电磁波CT数据处理

3.1 电磁波CT正演模型讨论

检测资料初步处理成果如图2所示。连孔剖面过桩基时，反演剖面较为杂乱，异常区域非常明显，但并不能展现桩基的形态，见图2(a)；而连孔剖面不过桩基时，反演剖面连续性好，能正常反映岩体完整性情况，见图2(b)。

图2 赤水河大桥电磁波CT反演成果图

如何解释上述异常区域是数据处理解释的重点、难点，有必要对该工区建立正演模型，讨论桩基对测量结果的影响。根据电磁波的传播特性及其测量原理，结合施工现场情况，展开如下讨论。

对于常规地下异常体，空间规模有限，电磁波CT射线对能够充分限制异常体在空间的展布，通过数据处理能够准确反映异常体的空间形态[10]。

工区承台内分布有直径3.5 m、深度20 m的桩基，理论上桩基可以视为“地下异常体”，但不同的是，桩基异常体纵横向比例达到5∶1，钻孔孔距仅20～30 m，钻孔深度最深为40 m，从测量原理上，这样的空间异常体形态很难被电磁波CT射线对包络，因此很难在反演剖面上展现桩基的形态。通过以上的讨论，按照现场实际尺寸(宽3.5 m，高20 m)建立桩基异常体正演模型，其正演结果如图3所示。

图3 桩基异常体正演模型及正演结果

正演结果表现为：20 m以上岩体吸收系数非常大、形态不规则，并且横向上的异常大大超过了桩基孔径3.5 m的范围，因此，对于空间尺寸和长细比均较大的地质体，在处理剖面上并不能呈现其空间形态。

但是，如果钻孔间距足够大，钻孔深度足够深，相对于测量剖面，这样的异常体是一个较小的局部异常，电磁波射线对能够充分限制其空间形态，其形态就能在空间上展现出来。保持模型5∶1的比例，将异常体尺寸相对缩小来模拟此种异常(见图4)，从正演结果来看，基本能够展现出桩基异常体的形态。

图4 桩基异常体正演模型及正演结果

通过以上正演模型讨论可以得出结论，对于施工现场的桩基只要钻孔孔距、孔深足够大，成果中就能反映出桩基的基本形态，但是在现场施工中受到仪器探测范围、施工场地等因素的限制，很难满足这一要求。

3.2 桩基异常体正演模型

由于赤水河大桥(贵州岸)承台钻孔位置没有按照检测方案测设，使得连井剖面过桩基孔的弦长为不确定的变量，实际正演模型按照现场测量尺寸建立，如图5所示。

图5 赤水河大桥(贵州岸)承台6、8号 钻孔位置及正演模型

施工中人工挖孔、爆破作业对围岩有不同程度地扰动、可能在桩基附近1 m范围内形成裂缝、裂隙等，在电磁波CT检测中，与桩基一起形成“长柱状异常体”，建立该工区正演模型，吸收系数为：①围岩0.1；②桩基0.6～0.9(过桩基孔弦长越小，值越小)；③可能破碎区0.5。正演模型、模型正演结果、实际反演结果如图6所示。

3.3 连孔剖面数据处理

钻孔5—钻孔8连孔剖面上，连线经过三个桩基，新建成三个桩基异常体，吸收系数与直径成正比。同种岩性下，吸收系数的大小与路径有关，直径越大，对应的弧长越长，电磁波经历的路径越长，吸收系数也就越大，因此设置不同的吸收系数[11]。

钻孔5—钻孔8模型中，第一个桩基模型直径最小，对应的吸收系数最小，在正、反演剖面上也可看出吸收系数与下部岩体差别不大，原因同上。同时，在赤水河大桥(贵州岸)右幅承台检测时桩基浇筑已完成，基于同样原因，得到的反演剖面低吸收系数区域明显比左幅承台低吸收系数区域大的多，下部异常明显更少，电磁波穿过已浇筑的混凝土的难易程度明显低于未浇筑的空气介质。

大桥桩基直径3.5 m，深度达到20 m(测试时承台左幅仍在挖孔施工，承台右幅已经浇筑)，并且施工中挖孔、爆破作业对围岩有不同程度的扰动并可能形成裂缝等，在电磁波CT检测中，通过正演分析，工区这种“长柱状异常体”与围岩的综合响应非常复杂，成果处理中解释为“桩基与围岩响应区”。

另外，成果处理中部分钻孔井段井壁附近表现为较高的吸收系数，并且在剖面横向上并未有明显异常延伸区域，形态上表现为半闭合的局部异常，这种异常由钻机钻进时造成的井壁破碎引起，成果处理中解释为“井壁效应”异常区。

表层0～5 m范围内，受地形起伏、地面荷载、高压电线以及施工场地平整时上部岩土清除造成的裂隙等影响，测得的吸收系数较高，形态表现为半闭合的局部异常，成果处理中解释为“表层效应”异常区。

4 赤水河大桥电磁波CT成果分析实例

4.1 ZK2—ZK3剖面

ZK2—ZK3电磁波CT反演剖面图如图7所示。该剖面长20 m，该承台桩基已经完成浇筑。

图7 ZK2—ZK3井电磁波CT反演剖面图

由成果图得知：

(1)在剖面顶部即地表下厚度0～13 m范围内存在电磁波高吸收异常区，电磁波吸收系数在0.70～0.95 dB/m之间，为大桥右幅承台桩基等长柱状异常体形成的“桩基与围岩响应区”。由于桩基已经完成浇筑，围岩与桩接触良好，特别是13 m以下测量几乎未表现出异常形态，13 m以上仅有局部异常，地表和井壁局部表现为高吸收系数现象，其形态为半封闭状，为“表层效应”和“井壁效应”所致；

(2)其他区域电磁波吸收系数多在0.1～0.5 dB/m范围内，未见明显异常区，岩体较完整。

4.2 ZK5—ZK7剖面

ZK5—ZK7电磁波CT反演剖面图如图8所示。该剖面长24.5 m，该承台桩基未完成浇筑，部分桩基孔仍在挖掘。

图8 ZK5—ZK7井电磁波CT反演剖面图

由成果图得知：

(1)反演剖面上、下存在明显的分界线，在剖面顶部即地表下厚度0～20 m范围内存在电磁波高吸收异常区，电磁波吸收系数在0.65～0.95 dB/m之间，为大桥左幅承台桩基等长柱状异常体反演形成“桩基与围岩响应区”，经正、反演结果进行比较，异常区域形态较为相似，由于桩基未完成浇筑，电磁波的绕射造成成果图中的高吸收系数区域；

(2)其它区域电磁波吸收系数多在0.1～0.5 dB/m范围，岩体相对较完整，未见明显异常。

5 结论

通过对工区地质特性的分析，建立了正演模型，经正、反演讨论，基本能判断该工区下部岩体完整性较好，岩溶发育较差。

(1)在地表以下0～5 m范围内，局部区域出现吸收系数较高现象，主要是受地形起伏、地面荷载、高压电线以及施工场地对上部岩土清理时产生小范围岩体破碎的影响，在成果图中解释为“表层效应”异常。部分钻孔孔壁附近岩体表现为高吸收系数，原因在于钻机钻进过程中造成的井壁破碎，形成“井壁效应”。

(2)地表以下20 m范围内的岩体，多处可见吸收系数较高的异常区域，通过正、反演讨论和分析发现，这些异常主要是桩基与围岩的综合响应引起，并非岩溶造成。

(3)通过主承台区域的电磁波CT检测成果分析，桩基底部以下15～20 m岩体吸收系数在0.1～0.5 dB/m范围内，未见明显不良地质体(或岩溶)异常反应，推测桩基底部以下15～20 m范围内岩体较完整。